去鋰電化,打壓特斯拉,近乎標準鋰離子電池工藝或帶來我國機會

文︱立厷

新任美國總統拜登設定的目標是到2035年實現電網完全脫碳,鋰離子電池仍是當今最受歡迎的電池存儲選擇。面對全球缺鋰,幾乎每一塊鋰離子電池都要用在有重量要求的汽車里,誰能干掉標準鋰離子電池技術,占領儲能行業的半壁江山?想和鋰電搶生意的技術還真不少,不過都在醞釀之中,不是技術本身存在問題,就是量產可行性有待論證,因此真正能與鋰離子電池技術抗衡的又是鳳毛麟角了。

近來,一種不用鋰材料而使用鋅材料,且能夠基本上使用標準鋰離子電池工藝設備的技術浮出水面,讓人們對其前景高看了一眼。研發者對其前景充滿信心,言之鑿鑿地要以此開創出一片儲能新天地。

鋰電仍是能量密度之王

不言而喻,鋰離子電池控制著全球90%以上的電網電池存儲市場,鋰離子電池已成為應對氣候變化的重要技術,也是持續改進電動汽車(EV)和可再生能量儲存裝置的關鍵技術。

然而,鋰離子電池的供應鏈正受到制約。分析師預計,未來十年鋰會出現短缺。原材料產量不足以滿足這上述市場的迫切需求,通過對技術采用的預測和礦商的投資進行比較,可以看出鋰離子電池的供應鏈很快就會受到很大限制。隨著世界各國政府加快向電動汽車和可再生能源過渡的立法,這種短缺將變得更加嚴重。因此,市場迫切要新的電池技術來解決鋰短缺問題。

鋰在元素周期表上的地位幾乎奠定了其能量密度之王的地位。一方面,鋰在可再生能量儲存方面使用壽命成本很低,優勢顯而易見;另一方面,電動汽車對輕型電池的需求意味著鋰不太可能被取代。不過,鋰離子電池的安全風險使得它不適合在人們的家庭和公司中放置大量電池組的市場,特別是在一些消防條例禁止使用鋰離子電池的地方。為此,非鋰離子電池在可再生能源儲能方面取得成功的可能性要大得多。接下來的問題是,什么技術能夠在能量儲存方面擊敗鋰離子電池,同時能夠以氣候變化所要求的速度進行擴展?

過去幾十年里,許多研究機構和公司都試圖制造新的儲能電池,但沒有人真正成功。即使是那些已經走出實驗室的技術,鋰離子電池制造成本的快速下降也令其黯然失色。

鋰離子電池自有其特殊性

我們先看看鋰離子電池是如何制造的。鋰離子電池被稱為插層(intercalation)電池,相同的鋰離子在陽極和陰極都發生反應,并通過液體電解質在兩者之間流動。當電池放電時,石墨陽極在陰極吸收鋰離子的同時向電解液中釋放鋰離子;充電時過程相反。

重要的是,電解液不要儲存大量離子,它只要充當電極之間的導管。大多數其他電池化學不使用插層,而是取決于每個電極與電解液的反應。這意味著它們通常要大量的電解質來儲存反應物。鋰離子電池只要極少量的電解液,因此非常緊湊。

鋰離子電池的另一個關鍵特性是它能夠在少量材料中儲存大量能量。這意味著鋰離子電極可以用相對較薄的活性材料涂層(即每個電極上發生反應的材料)制成,電極總厚度小于0．1毫米。這與鉛酸電池形成了比較,鉛酸電池的電極有好幾毫米厚。在大功率應用中,使用薄涂層可以獲得更高的能源效率和更好的性能。

低電解液體積和薄電極這兩個特性的結合推動了鋰離子電池的制造過程。電極是通過在薄金屬基底上涂上薄涂層制成的。這些薄涂層允許在持續的卷到卷生產過程中相當快速地涂敷和在線干燥。

隔膜可以做得很薄,因為它不要儲存多余的電解液,在電極(通常)纏繞在一起并放入電池槽之前,將其放置在電極之間。電解液在被密封之前注入電池,并被送去進行初始循環。這是一個精心控制的循環,名為“形成循環”,會在電芯內引起反應,從而保證其壽命。

鋰離子電池制造要一種新的化學,即必須能夠在兩個電極的少量活性物質中儲存大量能量。沒有這一點,薄鋰離子型電極與支撐它所需的金屬基板和隔膜相比,出現的能量就會很量。這些非活性成分的成本相當可觀,約占鋰離子電池材料成本的三分之一。除非電池化學能在少量材料中儲存類似的大量能量,否則非活性成分的成本將令使用薄鋰離子型電極變得無法實現。

第二個要求是使用少量電解液的能力。電解液量大就要求使用較厚的隔膜,并限制了在給定尺寸的電池容器中可以存儲的能量。雖然這對成本的影響不如活性材料能量密度那么明顯,但它仍然是一個重要的考慮因素。

滿足上述要求的電池化學制品很少,在滿足市場要求的成本和性能要求的同時滿足這些要求的就更少。

對標鋰離子電池的新突破

不管是什么技術,大家都在對標市場上最流行的鋰離子電池,能夠滿足其所有要求,才能有更大的發展潛力。

加拿大初創能源公司SalientEnergy的首席執行官RyanBrown表示,全球對鋰離子電池的依賴以及鋰離子電池關鍵金屬的相對稀缺將使能源轉型面對風險,除非能以千兆規模生產更廉價的替代品。而他的公司正在開發的鋅離子電池將比鋰離子電池更便宜、更安全、更耐用,而且生產設備與近年來推動鋰離子電池價格大幅下降的制造設備相同。

這位28歲的公司家說:“我們必須重建整個世界的電網,使其與可再生能源兼容。我們必須將世界電網的規模擴大一倍或三倍,以實現電動汽車和(綠色)氫能源。想想所需電池的數量吧,鋰離子電池無法滿足。我說的全球缺鋰,意思是每一塊鋰離子電池都將用于汽車。因為那才是要低重量的地方。”

他補充說:“凡是除了汽車的地方,我們都可以使用更重的電池,比如鋅離子電池。”這類市場包括住宅、商業和工業儲能及船只,在這些市場,重量不是問題,但安全至關重要。

美國想要去鋰化

Brown表示:關于西方國家“也存在供應鏈安全問題。我國不僅鋰礦豐富,所有鋰加工也都在我國進行,而此時國際關系正變得緊張。從目前情況來看,世界清潔技術的雄心壯志取決于與我國的關系。這似乎是一種風險。”

為了建立一個能夠支持強大儲能行業的國內供應鏈,美國要在電池加工材料和制造電池方面擺脫對我國的依賴。事實上,我國生產了世界上大部分的電池,同時生產了更多的電池材料。為了實現美國兩黨共同的目標,建立一個強大的國內電池產業,美國試圖利用創新超越標準鋰離子電池來建立新的設計,以利用在北美采購的材料。

拜登設定了到2035年實現電網完全脫碳的目標。最近的貿易戰凸顯了美中長期貿易關系中的風險。疫情大流行進一步表明了依賴全球供應鏈對關鍵基礎設施構成的風險。除了這兩個風險,電池需求的快速上升還沒有得到同樣快速的采礦和原材料加工投資的滿足。多數行業分析師預計,到本世紀中葉,關鍵鋰離子材料將普遍短缺。

新的電池技術可以增強美國的氣候野心。為了增強國內電池供應鏈的能力,拜登政府有可能確定能夠達到或超過鋰離子電池性能的替代品,同時使用廉價且國內豐富的材料。

鋰離子電池是為高度便攜的應用而設計的,非常適合汽車應用,但關于電網所需的固定儲能來說,它的價值并不太高。加州州長GavinNewsom稱,將于2035年前禁售新燃油動力汽車和卡車,鋰離子電池對這一目標至關重要。美國幾乎沒有鋰礦開采,將鋰加工成電池級化學品也同樣受到限制。

向可再生能源過渡要全球生產的電池數量遠遠大于目前的數量級。現有技術將無法完成這項任務。鉛酸電池使用壽命短,不適用于要數十年應用的場合。盡管鋰離子電池目前正在解決這個問題,但其所依賴的原材料太稀缺,無法實現全球變暖現實所要求的廣泛而迅速的轉變。其他新興技術在某些關鍵方面都失敗了,比如速度太慢,無法滿足功率需求,或者體積太大,無法滿足成本要求。

鋅離子電池很可能就是一種很有前途的替代品。鋅如此便宜和豐富,通常被用來制造硬幣。鋅離子電池中使用的另一種材料是錳,同樣廉價且豐富。與鋰離子電池所用的材料不同,這兩種材料在北美的產量都足以支撐美國的氣候要。由于鋅離子電池是水基電池,因此具有完全安全的額外優點,意味著它將能夠在鋰離子電池采用受到安全限制的市場。這種安全、低成本、持久耐用的鋰離子電池替代品可以通過安全的國內供應鏈輕松構建。另一個好處是在制造工藝方面可以快速且低成本擴展。