多国押注镁电池,“后锂电池”时代要来了吗?

原标题:多国押注镁电池,“后锂电池”时代要来了吗?
[ 马俊 晨阳]如今各种锂电池已经成为日常生活里必不可少的设备,无论是手机、电脑、可穿戴设备还是新能源汽车,它的应用变得越来越广泛。但随之而来的是外界对锂电池资源的担忧,尤其是今年以来锂电池相关原材料价格出现飞涨,逼迫各国纷纷加快布局“后锂电池”时代。
锂电池资料图。图源:视觉中国
多国押注镁电池
《日本经济新闻》网站20日以《锂电池何时被超越?》为题报道称,英国剑桥大学、丹麦及以色列的知名工科大学以及德国、西班牙的研究机构组成的联合研究团队“E-Magic”在欧盟的资金支持下,正以2030年为目标,加快开发突破性的高容量、环保性更好的镁电池和锌电池。
报道称,锂电池最早在20世纪90年代开始由日本索尼公司实现商用化,它比之前的镍氢电池、铅酸电池能存储更多电能,如今已经在新能源汽车、个人电脑、智能手机等产品上得到普及,相关研究还在2019年获得诺贝尔化学奖。但锂电池的最大缺点就是成本高。报道举例称,如果将锂电池作为大规模储存太阳能或风能等可再生能源的储能电池,日本经济产业省的资料显示,想将其成本降到跟水力发电相当的每千瓦时2.3万日元的水平“是白日做梦”。
因此“后锂电池”时代的主要目标是压缩成本和提高耐用性。“E-Magic”瞄准了成本更低的镁电池。镁离子可以携带2个正电荷,而锂离子只能携带1个,因此理论上镁电池的能量密度可以比锂电池更大。目前实验室的镁电池已经能反复充放电超过500次。研究人员将致力于改进电解液及开发新的电极材料。同时丰田的北美研究所和美国休斯敦大学也在开发新型镁电池,它的电极正极材料采用有机化合物,电解质采用硼。虽然这种镁电池目前只能充放电200次,但研究团队称“已经找到了开发出高稳定性、高性能电池的方向”。
除了镁电池外,报道提到日本东北大学的小林弘明助教和本间格教授也在开发新型锌电池,他们用水溶液取代有机溶剂作为电解液,降低了火灾事故的风险,由于其成本低,未来有望用于储蓄可再生能源电力。
替代技术尚不成熟
真锂研究首席分析师墨柯21日接受《》采访时表示,就当前正在发展的锂电池替代技术而言,除了日本媒体提到的镁电池、锌电池,还有相对更成熟的钠电池。事实上,钠离子电池和锂离子电池均起源于上世纪70年代,它们的工作原理也高度相似。只是受制于没有合适的电极材料,钠电池一直到2000年之后才取得突破。当前技术最先进的钠电池是中国宁德时代今年7月发布的,具备全球最高的能量密度(160Wh/kg)和超快充特性(15分钟可充电80%)。预计宁德时代下一代钠电池能量密度可突破200Wh/kg;计划于2023年形成基本产业链。
墨柯认为,从目前的发展情况来看,无论是镁电池、锌电池还是钠电池,其成熟度距离大规模商业化应用还有相当差距,甚至只是处于实验室阶段,性能也有不少缺陷。他表示,外界对于这些锂电池替代技术如此热心,核心原因不在于它们的性能更好,而是资源更丰富、原材料价格更便宜。
正如《日本经济新闻》提到的,锂电池原材料——锂、镍、钴的产地分布极度不均。相关资料显示,近80%锂资源产量主要集中在美洲四湖以及澳洲六矿,中国需要的锂资源80%以上都要靠进口;镍资源多数集中在印尼、澳大利亚、巴西、俄罗斯、古巴和菲律宾等地区,这六国的镍储量占比全球储量近78%;全球已探明钴资源由约51%分布在刚果(金)。相比之下,钠、镁、锌的储量要高得多。例如锂在地壳中的储量为0.0065%,全球储量仅有8600万吨,而钠在地壳中的储量为2.74%,仅中国柴达木盆地的钠盐储量就达到3216亿吨。
但另一方面,镁电池和锌电池在技术和材料上仍有相当多障碍有待克服,目前还没有找到比较合适的电极材料,更谈不上大规模应用。墨柯预测,考虑到一项新技术从实验室研制到量产再到大规模应用的过程,这些替代技术可能需要等待二三十年才能发展成熟。他还表示,即便是相对成熟的钠电池,由于钠离子半径和体积相对较大,因此在能量密度提升上受到限制,可能更适合储能电池、二轮电动车等对能量密度要求不高的领域。宁德时代透露,已经开发出了钠电池和锂电池共用的体系,彼此可以“取长补短”。
锂电池还可以再“挖潜”
如果锂电池在短时间内还难以被取代,那么它的未来又如何呢?墨柯认为,今年以来锂电池相关原材料价格的飞涨存在人为炒作的成分,单就锂资源的储备量而言,虽然远不如钠镁锌,但在未来三五十年内是绝对够用的。
同时锂电池的潜力还远没有被挖掘干净。墨柯表示,锂电池理论能量密度最高可达到700Wh/kg,目前高镍811电池(即电池正极材料中镍占比80%、钴占比10%、锰占比10%)的能量密度能达到260-270Wh/kg,而日韩头部电池企业在2021年都推出镍含量在90%以上超高镍电池产品,再加上负极采用硅碳材料,有望将能量密度提高到400Wh/kg,相当于锂电池的储电能力提升了50%。此外,多国还在研究将锂电池的液态电解液替换为固体电解质,可以同时提高其能量密度和安全性。

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