在不久前出版的《自然》(Nature)雜志上，一篇題為《距離鋰電子電池革命僅余10年》(Ten years left to redesign lithium-ionbatteries)的文章指出，鋰離子電池性能和價(jià)格的演進(jìn)速度正在放緩。如果不加大對(duì)基于儲(chǔ)量豐富的鐵、銅等材料的電極材料的研究，電動(dòng)汽車的大規(guī)模發(fā)展將受到限制。

電動(dòng)汽車需要功能強(qiáng)大、重量輕、價(jià)格實(shí)惠的電池。最好的選擇是商業(yè)化的鋰離子電池——它們相對(duì)緊湊和穩(wěn)定。但它們?nèi)赃^(guò)于笨重和昂貴，無(wú)法廣泛使用。

二十年來(lái)，可充電鋰離子電池的性能穩(wěn)步提高。容量大小的電池組所儲(chǔ)存的能量是原來(lái)的三倍多，從每升200瓦時(shí)(Wh - 1)增加到700瓦時(shí)(Wh - 1)。成本下降了30倍，降至每千瓦時(shí)150美元左右。但這仍高于美國(guó)能源部設(shè)定的每千瓦時(shí)100美元的負(fù)擔(dān)能力目標(biāo)。對(duì)于電動(dòng)汽車(50-100千瓦時(shí))來(lái)說(shuō)，電池足夠強(qiáng)大，但仍然重達(dá)600公斤左右，占用500升空間。

隨著傳統(tǒng)技術(shù)接近基本極限，技術(shù)進(jìn)步的步伐正在放緩。在電極材料晶體結(jié)構(gòu)的間隙中可以儲(chǔ)存的電荷量接近理論最大值。預(yù)計(jì)的市場(chǎng)增長(zhǎng)不會(huì)大幅降低價(jià)格——市場(chǎng)已經(jīng)很大了。

研究人員警告說(shuō)，必須盡快找到鈷、鎳和其他稀有金屬的替代品，以滿足電動(dòng)汽車電池日益增長(zhǎng)的需求，因?yàn)樗鼈兊南∪闭谕聘邇r(jià)格:在過(guò)去兩年中，鈷、鎳和其他稀有金屬的價(jià)格翻了兩番，從每公斤22美元漲到了每公斤81美元。鑒于生產(chǎn)商偷工減料、違反環(huán)保和安全法規(guī)，科學(xué)家和工程師們被敦促開(kāi)發(fā)廉價(jià)、常見(jiàn)的金屬，如鐵和銅，作為潛在的替代品。

研究人員表示，鋰離子電池通過(guò)在兩個(gè)電極之間移動(dòng)鋰離子來(lái)工作。從陽(yáng)極流向陰極的離子放電電流，為汽車提供動(dòng)力。當(dāng)電池充電時(shí)，鋰離子會(huì)回流。

在如今用于電動(dòng)汽車的商用電池中，鋰離子被保存在構(gòu)成電極的晶體中的微小空隙中(這些晶體被稱為插層電極)。陽(yáng)極通常由石墨制成，陰極由金屬氧化物制成。用于電極的材料，特別是稀有金屬，如鈷和鎳，既稀有又昂貴。

在我們看來(lái)，最有希望的替代方法是在電極中使用轉(zhuǎn)換材料。銅、鐵、氟化物和硅與鋰離子發(fā)生反應(yīng)。轉(zhuǎn)換陰極中的過(guò)渡金屬可以容納比標(biāo)準(zhǔn)陰極多6倍的鋰原子。這種材料膨脹得更多，能夠容納更多的鋰原子。

如果沒(méi)有任何變化，20年內(nèi)需求將超過(guò)產(chǎn)量。我們預(yù)計(jì)鈷的價(jià)格將在2030年前上漲，鎳的價(jià)格將在2037年或更早的時(shí)候上漲。

汽車制造商和政府預(yù)計(jì)，到2025年，每年將生產(chǎn)1000萬(wàn)到2000萬(wàn)輛電動(dòng)汽車。如果每個(gè)汽車電池需要10公斤的鈷，到2025年，電動(dòng)汽車每年需要10 - 20萬(wàn)噸的鈷——這是世界目前產(chǎn)量的大部分。同樣地，每年需要40 - 80萬(wàn)噸鎳，占今天所用金屬的20-40%。當(dāng)卡車、公共汽車、飛機(jī)和船只改用電池供電時(shí)，還需要更多的電力。

到2050年，每年生產(chǎn)5000萬(wàn)到8000萬(wàn)輛電動(dòng)汽車將需要50萬(wàn)到80萬(wàn)噸鈷。到2030年以后，這將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)目前的采礦能力。同樣，到2050年，鎳的需求量將增加2-3倍。到本世紀(jì)30年代中期，鎳的短缺將很明顯。

回收不能補(bǔ)充物資。鋰離子電池的使用壽命為15-20年，是鉛酸電池5-7年壽命的3倍。煉油廠可能會(huì)開(kāi)采質(zhì)量較差的礦石，尤其是在價(jià)格上漲的情況下。但更高的加工成本將推高價(jià)格。一旦供應(yīng)達(dá)到峰值，我們估計(jì)電動(dòng)汽車電池的價(jià)格可能會(huì)上漲超過(guò)1000美元。如果用更少的金屬制成陰極，“鈷峰值”可能會(huì)推遲幾年。但是，使用更少鈷的陰極材料正在開(kāi)發(fā)中，降解更快，需要更頻繁地更換。