鋰電池的后“鈷”時代，原料價格飛漲催生電池新技術(shù)進
來源：寶鄂實業(yè)
2019-03-28 12:40
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今天，大多數(shù)商用鋰離子電池都采用了鈷，但是它造價昂貴。為此，它衍生出了黑色的利益鏈條：很長一段時間，在剛果共和國存在著侵犯人權(quán)的情況，包括雇傭童工采礦的行為。電子設(shè)備和電動車公司不愿支付大價錢用于制造生產(chǎn)，亦不愿意參與當(dāng)?shù)氐膶θ藱?quán)剝削的行動，所以他們逐漸減少電池中鈷的使用量。特斯拉的電池供應(yīng)商松下公司在上月底宣布，他們正在開發(fā)不需要鈷的電池。已經(jīng)研發(fā)出無鈷電池的 Goodenough 等研究人員也在給松下公司提供幫助。
電池有一個正極，通常是石墨，以及一個負(fù)極，由鋰，鈷和氧組成的合成物。在電動汽車的電池組中，負(fù)極部分往往含有比電子產(chǎn)品更多的鎳成分，這雖然減少了鈷的使用，但卻帶來了更高的處理成本而且更容易在飛機上引起火災(zāi)——例如三星 Note 7 中的那塊電池。相比之下，鈷原子外軌上的電子是成對分布的，這意味著它小而致密，并且容易形成層狀。
但包括 Goodenough 在內(nèi)的新一代電池研究人員正在轉(zhuǎn)向?qū)﹀i和鐵等材料的研究。不同于層狀結(jié)構(gòu)，這些元素會形成一種“巖鹽”（rocksalt）結(jié)構(gòu)。含有巖鹽的負(fù)極已經(jīng)在某些裝置中被使用，但目前巖鹽結(jié)構(gòu)還沒有具有與鈷或鎳相同的高能量密度。
研究人員和公司已準(zhǔn)備好替代方案。“因為鈷的價格昂貴，所以公司盡量不去在電池制造中使用它”，德克薩斯大學(xué)工程教授的 Goodenough 這樣說道。在過去的兩年中，鈷的價格翻了兩番?，F(xiàn)階段，便攜式電子設(shè)備使用了市場上的大部分鈷，而未來電動汽車電池組對于鈷的需求量將比手機高出近 1000 倍。隨著全球氣候變暖，越來越多的人正在將內(nèi)燃機驅(qū)動汽車更換成電動汽車。雖然這對地球來說是件好事，但著實推高了鈷的價格。
鈷是鎳和銅等其他金屬生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)品，但它也以自身的形式存在于地殼中，主要分布在剛果民主共和國的礦山處。2016 年，華盛頓郵報對過去不透明的鈷供應(yīng)鏈進行了調(diào)查，揭露了雇傭童工和缺乏必要開采設(shè)備的情況。
誠然，也有其它的方式來避免危險開采的情況：回收利用鈷。但是，因為鋰離子電池的壽命很長，且人們對電子產(chǎn)品需求會越來越高，所以在未來 10 年購買鋰離子電池的人會顯著增加，來自麻省理工學(xué)院的能源研究專家 Elsa Olivetti 表示。去年十月，她發(fā)表了一篇文章，得出的結(jié)論是鈷的供應(yīng)將迅速增長，以滿足未來幾年的需求，特別是隨著電動汽車的興起。盡管針對新負(fù)極材料的研發(fā)和過去八個月鈷元素的開源取得進展，她仍然寫道：“目前來看，鈷類電極依然有存在且被研究的價值。但人們已經(jīng)開始逐漸減少對于鈷元素的使用”，用磷和鐵等穩(wěn)定的、能量密集的金屬制造來制造電池負(fù)極。
除了分層狀和巖鹽結(jié)構(gòu)的電池之外，研究人員正在研發(fā)固態(tài)電池。這類電池可能需要更多的鋰，但不一定是鈷，并且比現(xiàn)有的鋰離子電池要安全得多。寶馬、豐田、和本田等汽車公司正在研究這些電池，但 Olivetti 認(rèn)為該技術(shù)不會滿足 2025 年的市場需求。在此之前，公司將嘗試減少含鈷電池的使用。蘋果和三星等公司已加入 Responsible Cobalt Initiative 計劃，承諾改善在鈷的生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的環(huán)境污染和惡劣社會影響。最近，蘋果公司已經(jīng)開始直接從礦工處購買鈷元素，以確保鈷供應(yīng)商的生產(chǎn)安全條件達(dá)到行業(yè)要求水平。
與鉛酸電池相比，鋰電池的能量密度高、壽命長、體積小、重量輕等優(yōu)點，被人們寄予替代鉛酸電池的厚望。三年前，有業(yè)內(nèi)專家預(yù)測，在制造電動車領(lǐng)域，鋰電池在2015年可以替代大約20%的鉛酸電池，五年內(nèi)可以實現(xiàn)大約替代30%的鉛酸電池。然而時值今日，鋰電池實際替代鉛酸電池不到10%，而未來兩年內(nèi)要實現(xiàn)目標(biāo)看來是非常的艱難。據(jù)最近行業(yè)協(xié)會預(yù)測的數(shù)據(jù)顯示：今年鋰電車的銷量約300萬輛，而整個電動車產(chǎn)銷量約3200萬輛。那么鋰電池替代鉛酸電池的主要障礙在哪里？
鋰電池性價比優(yōu)勢并不突出。據(jù)眾多經(jīng)銷鋰電車的經(jīng)銷商反映：采用國產(chǎn)鋰電池的電動車，返修率居高不下。國內(nèi)實力雄厚的鋰電池企業(yè)與一般的中小鋰電池企業(yè)(pack)工廠制造出來的鋰電池其返修率竟然低到5%，高到13%左右的差距，價格十分的懸殊：以錳系材料的48V12Ah約500元/組左右，鎳鈷錳三元材料的鋰電池48V12Ah約650元/組左右。但是pack鋰電池48V12Ah只有約320元/組左右。但是這種pack鋰電池使用不到一年，電池容量大大衰減，已經(jīng)無法再使用。而錳系材料和三元材料的鋰電池與鉛酸相比，除了體積小與重量輕之外，其余并沒有多大的優(yōu)勢，其使用達(dá)到2年以上，電池的衰減程度已經(jīng)無法滿足行駛長距離的要求。
返修時間過長嚴(yán)重制約了消費者的使用。一旦出現(xiàn)鋰電池的故障進行返修，時間長則一個星期左右，甚至有的更長，讓消費者等待得不耐煩，失去了使用的信心。其原因是，經(jīng)銷商無法維修或更換鋰電池內(nèi)部出現(xiàn)問題的電芯，一定要通過快遞運送到制造企業(yè)，通過專業(yè)設(shè)備來進行電池的維修。這是制約鋰電池大規(guī)模替代鉛酸電池的關(guān)鍵之一。
鋰電池過于“嬌貴”，無法像鉛酸電池那樣經(jīng)得起折騰。鋰電車在使用過程中，經(jīng)不起摔扔撞擊，一旦鋰電池遭到刺穿，或者劇烈撞擊把鋰電池摔壞，鋰電池就有可能會產(chǎn)生燃燒與爆炸；鋰電池對充電器的要求很高，不能像鉛酸電池那樣隨便用馬路邊的投幣充電器來充電，一旦電流過大，擊穿鋰電池內(nèi)的保護板就有可能產(chǎn)生導(dǎo)致燃燒甚至爆炸。
由于鋰電池產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，大量的低端鋰電池沖擊著市場，使得經(jīng)銷商對鋰電車企業(yè)的選擇格外的小心謹(jǐn)慎，弄不好哪家制造企業(yè)一年半載之后就關(guān)門跑路，采購進來的鋰電車就要讓經(jīng)銷商全部兜著處理了。由此可見，鋰電池要實現(xiàn)替代鉛酸電池，如果不改變上述的問題，再過五年恐怕也很難
