電動汽車成為交通運(yùn)輸行業(yè)減少碳排放量的主流解決方案

咨詢機(jī)構(gòu)Bax＆Company公司顧問兼材料專家Marcos Ierides表示，盡管鋰離子電池的性能如今已得到極大提高，但在降低成本、可持續(xù)性放電以及最大限度地減少碳排放方面仍有改進(jìn)的余地。

在全球人口增長以及經(jīng)濟(jì)增長的推動下，能源需求一直在迅速增長，而這種增長對環(huán)境保護(hù)和社會福祉帶來的不利影響變得越來越明顯，這也加大了交通運(yùn)輸和電力行業(yè)（環(huán)境污染最嚴(yán)重的行業(yè)）減少碳排放量的需求。

電動汽車如今已經(jīng)成為交通運(yùn)輸行業(yè)減少碳排放量的主流解決方案，在過去兩年中，電動汽車的銷量增長了60％。與此同時(shí)，風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電正在電力行業(yè)加快發(fā)展步伐，如今全球四分之一的電力來自可再生能源。

為了使這些可再生能源解決方案發(fā)揮其全部潛力，需要與高效的儲能技術(shù)相結(jié)合。由于行業(yè)廠商在研發(fā)和生產(chǎn)方面投入了大量資金，鋰離子電池的性能已經(jīng)顯著提高。自從2008年以來，鋰離子電池的能源密度提高了兩倍，而成本卻降低了近85％。盡管如此，仍需要進(jìn)一步的研究來降低鋰離子電池平準(zhǔn)化能源成本（LCOE），并確保電池的生產(chǎn)和使用不會對環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響。

1.開發(fā)電池電極稀缺材料的替代品，提高能源密度，減少對環(huán)境和社會的影響

如今的電池材料包括稀土元素（REE）、關(guān)鍵原材料（CRM）和其他關(guān)鍵材料。而最關(guān)鍵的材料是鈷（Co）、鎳（Ni）、錳（Mn）和鋰（Li），因?yàn)樗鼈儽３咒囯x子電池電化學(xué)性能中至關(guān)重要。

歐盟聯(lián)合研究中心估計(jì)，從2015年到2030年，對這些材料的需求將增長2500%，從而造成稀缺問題。生產(chǎn)鋰離子電池也面臨大多數(shù)電池材料在全球各地分布不均的事實(shí)。而根據(jù)歐盟委員會的調(diào)查，全球電池產(chǎn)品所采用的鎳和鋰的三分之一產(chǎn)量來自中國和智利，而鈷的三分之二產(chǎn)品自剛果民主共和國。這就帶來巨大的供應(yīng)鏈風(fēng)險(xiǎn)，并導(dǎo)致了短期和長期價(jià)格巨大的波動。除此之外，鈷材料的來源對環(huán)境保護(hù)和社會的影響也令人質(zhì)疑，因?yàn)閯偣裰鞴埠蛧傻V工作環(huán)境惡劣，具有違反人權(quán)的行為。

全球各地正在進(jìn)行的技術(shù)研究與創(chuàng)新努力都致力于解決鋰離子電池面臨的這些問題。國際能源署表示，電池中的鎳-錳-鈷（NMC）陰極（最成熟的陰極化學(xué)物質(zhì)之一）中的鈷含量已經(jīng)從NMC111的約0.4kg/kWh降低到NMC811的0.03kg/kWh。

除了解決電池原材料問題之外，這些改進(jìn)還著眼于提高性能；在同等的容量下，NMC811陰極的比能量與NMC111相比高出25%。還有一些技術(shù)完全消除了鈷的使用。歐盟資助的合作研發(fā)項(xiàng)目COBRA（用于未來汽車應(yīng)用的無鈷電池）正在研究不含鈷的鋰離子錳氧化物（LMO）電池陰極。為了提高性能，還有一些研究機(jī)構(gòu)正在開發(fā)富含鋰的氧化物摻雜正極材料。

2.實(shí)施自我修復(fù)機(jī)制以延長電池壽命

允許電池存儲并按需提供電能的電化學(xué)現(xiàn)象也是造成電池性能隨著時(shí)間的推移而降低退化機(jī)制的原因。一個例子就是固體電解質(zhì)膜（SEI）的形成，盡管固體電解質(zhì)膜對于電池的性能至關(guān)重要，但最終會導(dǎo)致更低的容量和功率密度。

解決這些問題的方法是從可以治愈傷口并恢復(fù)受損部位功能得以生存的生物體中獲得靈感。它可以大致分為預(yù)防性（意味著預(yù)防或減緩降解機(jī)制）或主動性（意味著在損害發(fā)生后逆轉(zhuǎn)）自我修復(fù)機(jī)制。這個方法使用自我修復(fù)的聚合物，該聚合物通過可逆的化學(xué)鍵或特定的超分子相互作用（例如氫鍵）重建斷裂的界面來修復(fù)損傷。這些材料既可以在制造過程中直接添加到電池組件中，也可以添加到電池的電解質(zhì)中，在滿足條件時(shí)自動釋放，或者通過外部刺激按需釋放。

盡管該領(lǐng)域正在逐漸受到關(guān)注，但正在進(jìn)行的研究仍處于起步階段。歐洲電池領(lǐng)域強(qiáng)調(diào)自我修復(fù)是未來電池技術(shù)研究的關(guān)鍵領(lǐng)域之一，并將其納入其“2030+電池”合作計(jì)劃中，這個計(jì)劃旨在使歐洲在發(fā)展電池技術(shù)的未來競爭中處于領(lǐng)先地位。

3.開發(fā)更高效的生產(chǎn)線以降低成本

調(diào)研機(jī)構(gòu)彭博社新能源財(cái)公司最近發(fā)布的一份調(diào)查報(bào)告表明，盡管鋰離子電池成本正在迅速下降，但其平準(zhǔn)化能源成本（LCOE）仍比風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電的成本高2至4倍。這部分成本主要來自電池零部件生產(chǎn)和高能耗制造工藝。用于生產(chǎn)電極的煅燒和共沉淀過程特別耗能，因?yàn)樾枰獙⒏G爐加熱到超過1000℃的溫度。除了需要大量的能量來達(dá)到這樣的溫度外，窯爐通常會全天候運(yùn)轉(zhuǎn)（從“冷啟動”達(dá)到這樣的高溫需要大量時(shí)間），這進(jìn)一步增加了制造工廠的能耗。

解決這一問題的簡單辦法是使用可再生能源的電力，而可再生能源發(fā)電成本正變得越來越低。除了降低成本外，還將減少溫室氣體排放量。

其他方法則尋求開發(fā)更具創(chuàng)新性的解決方案，例如開發(fā)用于生產(chǎn)電極的水基工藝。這與水溶性粘合劑的水性配方的發(fā)展是密不可分的。

結(jié)論

電池技術(shù)的這些技術(shù)進(jìn)步是確保電池儲能系統(tǒng)可持續(xù)性和商業(yè)可行性的關(guān)鍵因素。為了加快電池儲能系統(tǒng)的部署，同時(shí)又不對社會或環(huán)境造成不利影響，還需要進(jìn)行更多的技術(shù)、社會和政策方面的創(chuàng)新。
責(zé)任編輯：tzh