詳解鋅空氣電池的原材料常及能量密度
來源：寶鄂實業(yè)
2019-05-07 13:15
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但充電困難一直桎梏著其發(fā)展。如今，科研人員研制出高性能和低成本催化劑，將打破這一瓶頸，使鋅空氣電池具有優(yōu)異的充電性能，擴大其應用范圍。
上述研究于當?shù)貢r間8月14日發(fā)表在國際學術雜志《先進材料》（AdvancedMaterials）?？蒲腥藛T來自澳大利亞悉尼大學和新加坡南洋理工大學的科研團隊。該論文的通訊作者悉尼大學化學和生物分子工程學院的教授陳元稱，“迄今為止，可充電的鋅空氣電池所用的都是昂貴的貴金屬催化劑，比如鉑和氧化銥制成。相比之下，我們的方法生產(chǎn)出的是一系列高性能和低成本的催化劑。”
可充電鋅空氣電池來自悉尼大學官網(wǎng)
鋅空氣電池是金屬空氣電池的一種，是以空氣中的氧為正極活性物質(zhì)，金屬鋅為負極活性物質(zhì)，堿性溶液為電解液，將化學能轉變?yōu)殡娔艿难b置。因為鋅是自然界中資源分布較廣的金屬元素，所以其在電極材料的成本上要遠低于鋰離子電池。此外，悉尼大學的新聞稿稱，鋅空氣電池可以儲存更多的能量，理論上其儲電量是鋰離子電池的5倍。更重要的是，鋅空氣電池也更安全、更環(huán)保。
鋰離子電池很輕便，供電效率高，但其含有增壓的、可燃的材料，一旦內(nèi)部發(fā)生短路，就會產(chǎn)生非常嚴重的后果。據(jù)外媒報道，鋰離子電池被證明是三星GalaxyNote7智能手機去年爆炸起火的元兇。三星后來調(diào)查發(fā)現(xiàn)，其手機電池供應商SamsungSDI和ATL的鋰離子電池都存在缺陷，這種缺陷會導致內(nèi)部短路，從而引起爆炸起火。
全球產(chǎn)能飆升
鋰電池的基本原理很容易理解。當電池給一個電位充電時，就會把鋰離子拉入石墨電極深處。使用的過程中，這些鋰離子又會通過液體電解質(zhì)返回由鋰和其他金屬組成的化合物制成的更復雜的電極——陰極。
但另一方面，電池業(yè)務的基本運營模式卻很不透明，主要是因為供應商過于重視保密，以及身為市場領頭羊的亞洲巨頭變換莫測的經(jīng)濟狀況。
過去幾年的情況顯示，所有大型廠商都在增加產(chǎn)能，部分原因在于這樣可以壓低單位成本。作為電池的基礎組成部分，鋰電芯2010年成本超過每kWh1000美元，去年降到130至200美元之間。通用汽車表示，該公司為Bolt采購60kWh電池組時，向LG化學支付的電芯價格為每kWh145美元（由于要考慮勞動力、材料和電子元件費用，所以電池組的價格高于電芯成本的總和）。
特斯拉表示，Model3的電芯價格更便宜。低成本并非唯一的改進之處。大量的研發(fā)投資已經(jīng)實現(xiàn)了更高的能量密度（每千克容量有所提升）和更強的耐用性（充放電循環(huán)有所增加）。Bolt的電池質(zhì)保期長達8年。
但通過這種方式降價不僅能生產(chǎn)價格更便宜、質(zhì)量更好的電池，還會導致嚴重的產(chǎn)能過剩。CairnERA去年估計，鋰電池產(chǎn)能較需求高出三分之一。該機構和BNEF都表示，每生產(chǎn)一塊汽車電池，電池廠商要么虧損，要么只能賺取微利。
盡管供過于求，但他們都計劃繼續(xù)擴張，一定程度上是為了進一步壓低成本。杰夫解釋稱，這種思維屬于“傳統(tǒng)的亞洲巨頭模式”：通過犧牲利潤率來換取市場份額。
由于電動汽車短期內(nèi)前景明朗，這似乎是一項不錯的戰(zhàn)略。但現(xiàn)在來看，這似乎令人有些緊張不安。盡管杰夫認為，電動汽車和儲電設施的需求增長可以支撐這種高速擴張，但他現(xiàn)在也認為，“這像是一場沒有黃金的淘金熱。”
但其中的確包含其他一些有價值的金屬。要生產(chǎn)更多電池，就需要更多的鋰，以及其他多種金屬，包括用于制造陰極的鈷。這些金屬大約占到電芯成本的60%。對于電池廠商來說，確保這些材料的持續(xù)供應與掌握電化學技術一樣重要。
自從2015年以來，咨詢公司BenchmarkMineralIntelligence的西蒙˙莫爾斯（SimonMoores）表示，鋰價格已經(jīng)上漲3倍，鈷價格也上漲一倍，陰極使用的含鎳化學品價格同樣也在上漲。
莫爾斯表示，尋找新的鋰供應源并不困難，全世界的鋰儲量至少為2.1億噸，而當前的年產(chǎn)量僅為18萬噸。新的鋰礦正在逐漸開采。全球最大鋰生產(chǎn)商智利SQM今年7月宣布將在西澳大利亞投資1.1億美元，組建一家鋰合資公司。
鈷的情況更加棘手。不僅供應匱乏，而且有很多都來自剛果民主共和國。這一地區(qū)既存在道德問題（需要依靠童工生產(chǎn)），還面臨商業(yè)問題（沒人愿意依靠軍閥獲取重要資源）。LG化學曾經(jīng)表示，該公司正嘗試減少電芯中的鈷元素使用量，同時繼續(xù)提升性能。今后，從廢舊電池中回收這種金屬將提升整個行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展程度。
廠商之所以在原材料價格上漲的情況下依然滿懷信心地擴大產(chǎn)能，原因之一在于鋰電池目前幾乎沒有對手。經(jīng)常有其他電池技術號稱從原理上擁有更大的優(yōu)勢——但卻沒有一種技術能像鋰電池這樣，通過幾十年的發(fā)展，從單純的創(chuàng)意變成一項主導型技術。整個過程催生了大量配套技術，包括精細制造、電解質(zhì)選擇甚至更加復雜的金屬陰極納米技術。
美國陰極材料供應商CAMXPower負責人凱南˙薩辛（KenanSahin）表示，鋰電池的成本和重量、反復充放電的循環(huán)次數(shù)、耐用性和安全性都是通過無數(shù)的調(diào)整得以實現(xiàn)的，并非一朝一夕可以做到。
他將電池化學比作制藥行業(yè)的藥物發(fā)現(xiàn)過程。“真的很難。無論你想成規(guī)模地做成什么事情，都必須接受相應的副作用。”他說。這是潛在的篡權者難以模仿的。在可預見的未來，不斷進步的鋰電池技術——可能使用新的固態(tài)電極——都將繼續(xù)領先，并因為它所支持的應用模式繼續(xù)增多而不斷獲益。
直到現(xiàn)在，最主流的還是圓柱形的18650電芯。它長約65毫米，直徑18毫米，能量密度大約為每千克250Wh。（作為對比，汽油的能量密度大約高出50倍，但電芯可以存儲成百上千倍的能量。）
特斯拉和松下目前正在開發(fā)2170電芯，比18650略長、略寬。馬斯克表示，這將成為市場上密度最高的電池。該公司表示，7月末交付的Model3的駕駛成本與之前任何一種車型相比都下降一半。在這款車的發(fā)布會上，馬斯克關于明年實現(xiàn)50萬輛產(chǎn)能的聲明令人頗感敬畏。“歡迎來到生產(chǎn)地獄。”他對組裝線工人說。
特斯拉8月7日宣布發(fā)行價值15億美元的債券，以支持該公司的擴張計劃，給股票市場帶來了急需的喘息機會——該公司經(jīng)常通過股市融資，其股價也在過去一年上漲三分之二。
該公司曾經(jīng)表示，他們已經(jīng)收到45.5萬輛Model3預售訂單，這可以在年底前產(chǎn)生足夠的現(xiàn)金流，從而鞏固其財務狀況。如果一切照計劃進行，馬斯克希望超級工廠成為全世界最大的建筑，每年產(chǎn)能達到100GWh。該公司還有可能在其他地方建設超級工廠，下一個可能就會落戶中國。
所有的舉措都認為電動汽車必將繁榮發(fā)展。這類產(chǎn)品無疑在變得更好、更便宜。但還有一些因素對它的實用性形成制約，最顯著的便是充電。在英國，43%的車主沒有路邊停車位，因此也就不能在家里給汽車充電。而使用11kW的充電器對90kWh的電池充電6個小時，便有可能燒斷保險絲。
快速充電站是一種解決方案，這是一種類似于加油站的地方。有的汽車公司已經(jīng)開始通過建設這樣的設施來緩解電動車主特有的“里程焦慮”。但這種設施的擴張速度能否對整個行業(yè)的野心形成支持，目前還有待觀察。
正是由于電動汽車使用量的增長速度存在不確定性，才讓儲電設施成為了電池制造商的一個有吸引力的選擇。圣迭戈煤氣和電力公司（SDGE）最近在圣迭戈市郊的一個車位上建造的這樣一個設施并不像新車發(fā)布那樣光鮮亮麗。那其實是一個偽裝成拖車公園的汽車電池，內(nèi)有38.4萬個電芯。這大概是有史以來最遲鈍的變形金剛了。
但SDGECOO卡洛琳?維恩（CarolineWinn）表示，平凡正是它的魅力所在。這個設施的目的是在用電高峰提供電力。模塊化的建筑使得這個120MWh的設施——規(guī)模略小于特斯拉承諾在南澳大利亞建設的設施——從開工建設到投入使用只用了短短8個月。它的噪音很小，幾乎聽不到。
如果通過燃氣渦輪來做同樣的工作，成本雖然可以降低，但卻需要耗費數(shù)年時間，而且根本不可能獲得當?shù)鼐用竦耐?。維恩還表示，這個電池設施“比燃氣渦輪漂亮多了”。
