電池的未來(lái)

電池的未來(lái)問(wèn)題并不像問(wèn)“技術(shù)發(fā)展如何？2030年電池會(huì)是什么樣子？它將如何工作？你想得越多，它就越有趣?；蛘呤裁措姵刈钍軞g迎？”“不斷變化的技術(shù)趨勢(shì)?！蔽椅ㄒ豢梢越^對(duì)確定的是，電池的未來(lái)將與我們今天使用的電池不同。

 

電池未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

首先要考慮的問(wèn)題是，未來(lái)的社會(huì)會(huì)是什么樣的，它將如何影響駕駛技術(shù)的演變、監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)、地區(qū)差異等？在21世紀(jì)初，我看到歐洲、日本、美國(guó)、中國(guó)和許多其他國(guó)家的政府對(duì)其燃油經(jīng)濟(jì)性和二氧化碳排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了重大調(diào)整，以支持更高效的汽車(chē)。這一趨勢(shì)實(shí)際上始于20世紀(jì)70年代。

 

 

隨著全球人口的持續(xù)增長(zhǎng)，各國(guó)政府對(duì)新的清潔能源解決方案的需求仍然很高。另一個(gè)必須考慮的因素是人口增長(zhǎng)將集中在哪里。從目前的所有預(yù)測(cè)來(lái)看，大部分增長(zhǎng)將發(fā)生在大城市。即使速度比前幾十年略慢，世界人口仍在繼續(xù)增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)將繼續(xù)出現(xiàn)2000多萬(wàn)人口的超大城市，鋰離子電池技術(shù)必須繼續(xù)發(fā)展才能滿足這一增長(zhǎng)趨勢(shì)。

 

人口增長(zhǎng)的幅度和集中度將推動(dòng)許多技術(shù)的巨大變化，以解決自然資源和排放的枯竭、溫室氣體和污染的影響。例如，公用事業(yè)等公共職能，在歷史上一直由國(guó)家高度集中，將演變成一個(gè)更加分散的生產(chǎn)和儲(chǔ)存系統(tǒng)。

 

如今，電力是通過(guò)燃燒煤炭、核能和水力發(fā)電大規(guī)模生產(chǎn)的，并通過(guò)電網(wǎng)輸送給消費(fèi)者。但在未來(lái)，電力將更有可能在當(dāng)?shù)厣a(chǎn)和儲(chǔ)存。我們可能會(huì)發(fā)現(xiàn)屋頂上覆蓋著太陽(yáng)能電池板，公共區(qū)域的風(fēng)力渦輪機(jī)等等，所有這些都需要電池系統(tǒng)來(lái)將電力均勻地分配到超大城市的每個(gè)家庭。

 

運(yùn)輸部門(mén)不會(huì)錯(cuò)過(guò)技術(shù)轉(zhuǎn)型。一個(gè)有趣且不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)是，渴望擁有汽車(chē)的年輕人越來(lái)越少，取而代之的是，許多人使用汽車(chē)共享服務(wù)，住在有公共交通的地區(qū)。他們沒(méi)有購(gòu)買(mǎi)一輛日夜閑置的汽車(chē)，而是只在需要的時(shí)候付款。在日本的一些地區(qū)，我們也看到了“個(gè)人交通”的趨勢(shì)，這將導(dǎo)致消費(fèi)者使用車(chē)輛的方式發(fā)生重大轉(zhuǎn)變。

 

 

世界其他地區(qū)希望效仿日本城市的趨勢(shì)，可能是因?yàn)槿毡镜娜丝诿芏缺仁澜缟洗蠖鄶?shù)其他地區(qū)都要高。隨著人口增長(zhǎng)放緩，實(shí)際上已經(jīng)轉(zhuǎn)為負(fù)值，日本人口眾多的城市正在老齡化，并在尋找滿足老年人口需求的方法。當(dāng)然，我們不能忽視中國(guó)和印度不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)，在這兩個(gè)國(guó)家，擁有汽車(chē)是地位的象征，并將繼續(xù)經(jīng)歷大量增長(zhǎng)。

 

但隨著汽車(chē)需求的快速增長(zhǎng)，超大城市將面臨高污染和有限的停車(chē)位。交通運(yùn)輸?shù)淖钚掳l(fā)展是自動(dòng)駕駛汽車(chē)的出現(xiàn)。隨著這些車(chē)輛的大量引進(jìn)，它們將繼續(xù)推動(dòng)與之相關(guān)的輔助技術(shù)的進(jìn)步。

 

電池未來(lái)的技術(shù)趨勢(shì)

不幸的是，電池技術(shù)并沒(méi)有按照摩爾定律發(fā)展。摩爾定律是由英特爾創(chuàng)始人之一戈登·摩爾于1965年提出的：“在不變的價(jià)格下，集成電路上可容納的晶體管數(shù)量將翻一番，性能大約每18個(gè)月翻一番。換句話說(shuō)，每一美元的計(jì)算機(jī)功率將每18個(gè)月中翻一番以上。”

 

這一規(guī)律揭示了信息技術(shù)進(jìn)步的速度。事實(shí)證明，這在半導(dǎo)體行業(yè)是非常準(zhǔn)確的，但不幸的是，它不適用于電池。如果我們回到1991年，當(dāng)鋰離子電池被引入民用市場(chǎng)時(shí)，我們看到產(chǎn)能每年僅增長(zhǎng)5%至6%。電池技術(shù)并非每年都翻一番。

 

回到本文開(kāi)頭的原始問(wèn)題——2030年電池的未來(lái)會(huì)是什么樣子？當(dāng)前的電池技術(shù)將如何發(fā)展以滿足這些不斷增長(zhǎng)的需求？真的有“革命性”或“突破性”的技術(shù)嗎？

 

不幸的是，我們過(guò)度使用“突破性技術(shù)”這個(gè)詞已經(jīng)太久了。就改進(jìn)而言，這些都是自然的發(fā)展，而不是最小的突破。讓我們思考一下突破性技術(shù)這個(gè)術(shù)語(yǔ)，以及它對(duì)電池未來(lái)的真正意義。什么時(shí)候一項(xiàng)技術(shù)可以被視為突破？突破性技術(shù)的出現(xiàn)往往會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)有技術(shù)的徹底改變或終止。

 

汽車(chē)徹底摧毀了馬車(chē)市場(chǎng)，最終徹底取代了馬車(chē)。僅僅用了幾年左右的時(shí)間，個(gè)人電腦就幾乎完全取代了打字機(jī)。電話取代了電報(bào)，便攜式電話在短短幾年內(nèi)幾乎取代了固定電話。因此，當(dāng)技術(shù)取代并超越之前的技術(shù)時(shí)，就定義了技術(shù)突破。

 

 

那么，從這個(gè)角度來(lái)看，鋰離子電池是一項(xiàng)突破性技術(shù)嗎？事實(shí)并非如此，它既不能取代鉛酸電池，也不能取代內(nèi)燃機(jī)（至少在撰寫(xiě)本文時(shí)沒(méi)有）。但這是一種互補(bǔ)的技術(shù)嗎？當(dāng)然是這樣，因?yàn)樗饶壳暗幕旌蟿?dòng)力方案有了顯著的改進(jìn)。

 

鋰離子電池有兩個(gè)特性，可以使其成為真正的突破性技術(shù)；能量密度和功率密度。目前的鋰離子電池技術(shù)只能提供汽油或煤油的十分之一左右的功率，這意味著以目前的鋰電池化學(xué)性質(zhì)，僅靠電池功率無(wú)法達(dá)到石油動(dòng)力汽車(chē)的續(xù)航里程——這種情況會(huì)改變嗎？

 

功率密度的問(wèn)題與能量密度的問(wèn)題相似。為了取代汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，電池技術(shù)的未來(lái)必須更小，同時(shí)將電池的功率和功率提高到與液體燃料汽車(chē)相同的水平。

 

與此同時(shí)，我們必須考慮另一個(gè)問(wèn)題——成本。即使有人設(shè)計(jì)出一種可以提供與汽油動(dòng)力汽車(chē)相同能量的電池技術(shù)，如果電池成本沒(méi)有隨著能源的增加而下降，這也不是一種可行的電池未來(lái)解決方案，也不會(huì)獲得大眾市場(chǎng)的青睞。在工業(yè)中，由于一定程度的標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)量的增加，我們可能會(huì)看到成本優(yōu)化。我們發(fā)現(xiàn)，一定程度的標(biāo)準(zhǔn)化肯定會(huì)為成本結(jié)構(gòu)帶來(lái)好處。但該標(biāo)準(zhǔn)也必須足夠靈活，以允許技術(shù)隨之改進(jìn)和發(fā)展。

 

從汽車(chē)制造的角度來(lái)看，一旦一項(xiàng)技術(shù)被引入汽車(chē)，它將持續(xù)5到10年，這大約是標(biāo)準(zhǔn)化汽車(chē)系統(tǒng)的壽命。這是什么意思？這意味著如今市場(chǎng)上的電動(dòng)汽車(chē)使用的電池是用三到五年前的技術(shù)制造的。

隨著我們看到個(gè)人電子產(chǎn)品變得更小、更薄甚至可穿戴，便攜式電源行業(yè)也將有助于推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新，因此便攜式電源是一些先進(jìn)電池技術(shù)的早期采用者，這些技術(shù)將與便攜式電源一起發(fā)展。

 

電池技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

電池技術(shù)的哪些變化將使鋰離子電池成為真正的突破？毫無(wú)疑問(wèn)，電池系統(tǒng)將繼續(xù)進(jìn)步，但這會(huì)是一個(gè)真正的突破嗎？這很難回答。鋰已經(jīng)是元素周期表中最輕的金屬，因此除了鋰基技術(shù)之外，沒(méi)有太多的進(jìn)一步研究選擇。因此，電池的未來(lái)可能不是來(lái)自于取代鋰，而是來(lái)自于其他材料。

 

傳統(tǒng)的鋰離子電池基本上有三個(gè)部分可以改進(jìn)：陰極、陽(yáng)極和電解質(zhì)。通過(guò)研究這三個(gè)部分，研究人員旨在提高鋰離子電池的可用開(kāi)路電壓和能量密度，提高電池的安全性和壽命。

 

 

讓我們從陽(yáng)極開(kāi)始。硅和錫陽(yáng)極材料由于其高比容量和有望提高電池的能量密度，在過(guò)去幾年中受到了很多關(guān)注。盡管理論上可以通過(guò)使用硅或錫負(fù)極來(lái)實(shí)現(xiàn)高達(dá)300%或更高的能量密度增加，但實(shí)際的增加通常只有其三分之一左右，但這仍然將鋰離子電池的比能推到與液體燃料競(jìng)爭(zhēng)的水平。

 

然而，由于充放電循環(huán)中電極片的體積膨脹率大，這兩種材料都存在循環(huán)壽命短的問(wèn)題。但這并不意味著我們應(yīng)該放棄他們。目前正在努力解決這個(gè)問(wèn)題，例如使用納米材料技術(shù)，石墨、石墨烯或其他材料復(fù)合或涂有硅或錫元素，可以顯著緩沖材料的體積膨脹。

 

我們注意到，個(gè)人電子產(chǎn)品正在變得更小、更薄、可穿戴，正是這種先進(jìn)的技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于便攜式電源行業(yè)。

 

與運(yùn)輸和儲(chǔ)能相比，這些應(yīng)用需要更少的電池系統(tǒng)壽命，為這些電池解決方案的開(kāi)發(fā)和測(cè)試提供了良好的機(jī)會(huì)。我相信，隨著這些新的陽(yáng)極技術(shù)的不斷發(fā)展，它最終將部分取代目前的石墨基陽(yáng)極材料。

 

陰極材料也出現(xiàn)了一些漸進(jìn)式的改進(jìn)。例如，為了利用不同材料的各自優(yōu)點(diǎn)，將不同的化學(xué)品組合或混合。但根據(jù)目前的研究水平，電池未來(lái)取得重大進(jìn)展的可能性很小。

 

在未來(lái)的電池中，電解質(zhì)和隔膜也將發(fā)生逐漸的變化。電解質(zhì)對(duì)于提高鋰離子電池的開(kāi)路電壓至關(guān)重要。目前，人們對(duì)電解質(zhì)添加劑進(jìn)行了許多嘗試，并報(bào)道了大量關(guān)于新型電解質(zhì)的研究，這些電解質(zhì)可能比目前的添加劑技術(shù)更安全。隔膜也受到了關(guān)注，但幾乎所有這些都集中在提高電池安全性上。

 

許多鋰離子電池公司開(kāi)始使用陶瓷涂層隔膜，因?yàn)榕c傳統(tǒng)的聚丙烯酸酯-聚乙烯隔膜相比，陶瓷涂層隔膜對(duì)電解質(zhì)的滲透性更強(qiáng)，并且在更高的溫度下穩(wěn)定有效地工作。

 

我們能否看到其他類型的技術(shù)改進(jìn)，為電池和鋰離子電池的未來(lái)帶來(lái)真正的變革性發(fā)展？固態(tài)電池可能是最引人注目的新技術(shù)之一。固態(tài)電池不使用液體電解質(zhì)，其優(yōu)點(diǎn)之一是能量比高。

 

與傳統(tǒng)的鋰離子電池相比，固態(tài)電池可以減少流體收集量，并且不含隔膜。此外，固態(tài)電池預(yù)計(jì)更安全，因?yàn)樗鼈儾缓幸兹己托孤┑囊后w電解質(zhì)。然而，由于固態(tài)電池的研發(fā)尚處于起步階段，到目前為止，固態(tài)鋰離子電池的應(yīng)用大多為毫安時(shí)量級(jí)。如果這些電池能夠成功地?cái)U(kuò)大規(guī)模，它們可能會(huì)在更大規(guī)模的應(yīng)用中具有競(jìng)爭(zhēng)力。

 

鋰空氣電池也是一種處于研究階段的新型電池系統(tǒng)。鋰空氣電池使用鋰金屬陽(yáng)極，連接到固體電解質(zhì)層，該固體電解質(zhì)層與空氣中的氧氣“機(jī)電耦合”。它可以提供非常高的能量密度、非常平坦的放電曲線，只要不暴露于空氣中的水和二氧化碳，幾乎可以無(wú)限使用，并且有望具有一系列好處，包括低成本和環(huán)境友好。然而，鋰空氣電池也面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，其中最大的挑戰(zhàn)是其有限的功率輸出能力。

 

 

在過(guò)去二十年左右的時(shí)間里，燃料電池取得了重大進(jìn)展，受到了很多關(guān)注。微型燃料電池、汽車(chē)燃料電池和超大燃料電池已經(jīng)上市。燃料電池本質(zhì)上是發(fā)電機(jī)，在許多應(yīng)用中與鋰離子電池重疊。如果基礎(chǔ)設(shè)施和燃料供應(yīng)成本得到解決，燃料電池可能會(huì)取代部分鋰離子電池市場(chǎng)。

 

另一種不斷發(fā)展的儲(chǔ)能技術(shù)是電容器，包括雙層電容器和超級(jí)電容器。這些技術(shù)在歷史上被認(rèn)為只適用于極短、高功率、爆炸性的能源需求。目前的研究旨在提高電容器的能量密度，從而使其與傳統(tǒng)電池更具競(jìng)爭(zhēng)力。此外，由于電容器制造與鋰離子電池制造非常相似，預(yù)計(jì)電池制造商將在其電池產(chǎn)品中添加電容器技術(shù)。

 

結(jié)論

鋰離子電池技術(shù)對(duì)當(dāng)前電池性能有很大的改進(jìn)和進(jìn)一步改進(jìn)潛力。隨著需求的增加，電池成本將繼續(xù)下降，前面提到的電池性能的技術(shù)改進(jìn)將有助于降低成本。如果電池技術(shù)進(jìn)展順利，下一代電池技術(shù)將很快問(wèn)世。然而，作者認(rèn)為，很難實(shí)現(xiàn)美國(guó)能源部和先進(jìn)電池聯(lián)盟等組織設(shè)定的每千瓦時(shí)100至150美元的成本目標(biāo)。

 

目前，18650鋰離子電池正以每年近7億個(gè)電池的速度大規(guī)模生產(chǎn)，其價(jià)格已在170美元至220美元/千瓦時(shí)的范圍內(nèi)觸底。那么，如何改進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)，使新的大型電池價(jià)格合理，足以滿足美國(guó)能源部的要求呢？由于電池的體積與電池的實(shí)際活性材料的體積不同，因此改變電池技術(shù)以降低成本是很重要的。

 

超大城市的發(fā)展將推動(dòng)清潔能源生產(chǎn)和儲(chǔ)存技術(shù)的發(fā)展?；陔姵氐膬?chǔ)能系統(tǒng)很可能成為為這些城市提供不間斷電力的重要組成部分。交通系統(tǒng)將被迫采用電氣化，以減少對(duì)城市空氣的影響。