锂电池十年后若不能被替代，电动汽车大规模发展将受到限制

在不久前出版的《自然》（Nature）杂志上，一篇题为《距离锂电子电池革命仅余10年》（Tenyearslefttoredesignlithium－ionbatteries）的文章指出，锂离子电池性能和价格的演进速度正在放缓。如果不加大对基于储量丰富的铁、铜等材料的电极材料的研究，电动汽车的大规模发展将受到限制。

电动汽车需要功能强大、重量轻、价格实惠的电池。最好的选择是商业化的锂离子电池——它们相对紧凑和稳定。但它们仍过于笨重和昂贵，无法广泛使用。

二十年来，可充电锂离子电池的性能稳步提高。容量大小的电池组所储存的能量是原来的三倍多，从每升200瓦时（Wh－1）增加到700瓦时（Wh－1）。成本下降了30倍，降至每千瓦时150美元左右。但这仍高于美国能源部设定的每千瓦时100美元的负担能力目标。对于电动汽车（50－100千瓦时）来说，电池足够强大，但仍然重达600公斤左右，占用500升空间。

随着传统技术接近基本极限，技术进步的步伐正在放缓。在电极材料晶体结构的间隙中可以储存的电荷量接近理论最大值。预计的市场增长不会大幅降低价格——市场已经很大了。

研究人员警告说，必须尽快找到钴、镍和其他稀有金属的替代品，以满足电动汽车电池日益增长的需求，因为它们的稀缺正在推高价格：在过去两年中，钴、镍和其他稀有金属的价格翻了两番，从每公斤22美元涨到了每公斤81美元。鉴于生产商偷工减料、违反环保和安全法规，科学家和工程师们被敦促开发廉价、常见的金属，如铁和铜，作为潜在的替代品。

研究人员表示，锂离子电池通过在两个电极之间移动锂离子来工作。从阳极流向阴极的离子放电电流，为汽车提供动力。当电池充电时，锂离子会回流。

在如今用于电动汽车的商用电池中，锂离子被保存在构成电极的晶体中的微小空隙中（这些晶体被称为插层电极）。阳极通常由石墨制成，阴极由金属氧化物制成。用于电极的材料，特别是稀有金属，如钴和镍，既稀有又昂贵。

在我们看来，最有希望的替代方法是在电极中使用转换材料。铜、铁、氟化物和硅与锂离子发生反应。转换阴极中的过渡金属可以容纳比标准阴极多6倍的锂原子。这种材料膨胀得更多，能够容纳更多的锂原子。

如果没有任何变化，20年内需求将超过产量。我们预计钴的价格将在2030年前上涨，镍的价格将在2037年或更早的时候上涨。

汽车制造商和政府预计，到2025年，每年将生产1000万到2000万辆电动汽车。如果每个汽车电池需要10公斤的钴，到2025年，电动汽车每年需要10－20万吨的钴——这是世界目前产量的大部分。同样地，每年需要40－80万吨镍，占今天所用金属的20－40％。当卡车、公共汽车、飞机和船只改用电池供电时，还需要更多的电力。

到2050年，每年生产5000万到8000万辆电动汽车将需要50万到80万吨钴。到2030年以后，这将远远超过目前的采矿能力。同样，到2050年，镍的需求量将增加2－3倍。到本世纪30年代中期，镍的短缺将很明显。

回收不能补充物资。锂离子电池的使用寿命为15－20年，是铅酸电池5－7年寿命的3倍。炼油厂可能会开采质量较差的矿石，尤其是在价格上涨的情况下。但更高的加工成本将推高价格。一旦供应达到峰值，我们估计电动汽车电池的价格可能会上涨超过1000美元。如果用更少的金属制成阴极，“钴峰值”可能会推迟几年。但是，使用更少钴的阴极材料正在开发中，降解更快，需要更频繁地更换。