尽管三元材料尤其是高镍正极材料应用规模还远没有达到顶峰,现在考虑三元材料材料的未来,早吗?动力电池是我国新能源汽车的发展的根基。
古人有云:先谋后动,动则必成。
用于动力锂电池的钴和镍资源将在2030年前后将会出现供不应求的局面,三元材料发展必然是不可持续的。
未来新型正极材料必须是优于当前嵌入型正极材料的一种高潜力材料。
硅基材料与新型正极材料适配不仅要提高其能量密度,还要大幅度降低锂离子电池的成本。
电动汽车需要动力来源,动力蓄电池的比能量、寿命、安全性和价格,对纯电动汽车的发展至关重要,而锂离子电池具有比能量高、自放电低、寿命长等优点,是目前最具实用价值的电动汽车电池。经过20多年来的科技进步,LIBs的性能得到巨大提升。锂电池包中比能量密度增加了近3倍,从不到200Wh/L增长到超过700Wh/L。生产成本是原来的3%左右,目前可控制生产成本低于150$/kWh。但这仍然高于美国能源部计划的100$/kWh的目标。当前功率在50-100KW.h的动力电池重量约为600公斤,体积也要在500L左右。
现在的锂电池的能量密度已经接近理论最大值,LIBs的能量密度提升正逐渐变缓。电池市场的快速增长,使LIBs降价更显得遥不可及。相反的是,在过去的两年里,锂电池产量的激增几乎使钴的价格几乎翻了两番,从每千克22美元生到81美元。市场需求的增大和价格的快速上涨已经鼓励一些生产商偷工减料,违反环境和安全法规。例如,在中国,石墨矿释放的粉尘已经损坏了农作物、污染了村庄和饮用水。而在非洲,一些矿主剥削童工,在缺少防毒面具等防护设备,手工开采矿石的小型矿山,通常这么做触犯法律。包括宝马在内的一些公司都制定严格的政策来督促其钴供应商,而其它一些电动车生产厂家并不这样做。
这一切最简单的解决办法就是开发廉价的常用金属如铁和铜的替代类型的电极。在美国亚特兰大佐治亚理工学院Gleb Yushin教授及其同事看来,最有希望的“替代电极材料”(Conversion-type cathode materials),如铜或铁的氟化物或者硅。它们通过化学方式储存锂,但这项技术仍处于早期阶段。要实际应用必须克服稳定性、充电速度和制造方面的问题。Gleb Yushin教授呼吁材料科学家、工程师和资助机构优先研究和开发基于丰富元素的电极。否则,电动汽车的推广将在十年内遭受重创。