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新任美國總統(tǒng)拜登設(shè)定的目標(biāo)是到2035年實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)完全脫碳，鋰電池仍是當(dāng)今最受歡迎的電池存儲(chǔ)選擇。面對(duì)全球缺鋰，幾乎每一塊鋰電池都要用在有重量要求的汽車?yán)铮l能干掉標(biāo)準(zhǔn)鋰電池技術(shù)，占領(lǐng)儲(chǔ)能行業(yè)的半壁江山？想和鋰電搶生意的技術(shù)還真不少，不過都在醞釀之中，不是技術(shù)本身存在問題，就是量產(chǎn)可行性有待論證，因此真正能與鋰電池技術(shù)抗衡的又是鳳毛麟角了。
近來，一種不用鋰材料而使用鋅材料，且能夠基本上使用標(biāo)準(zhǔn)鋰電池工藝設(shè)備的技術(shù)浮出水面，讓人們對(duì)其前景高看了一眼。研發(fā)者對(duì)其前景充滿信心，言之鑿鑿地要以此開創(chuàng)出一片儲(chǔ)能新天地。
鋰電仍是能量密度之王
不言而喻，鋰電池控制著全球90%以上的電網(wǎng)電池存儲(chǔ)市場(chǎng)，鋰電池已成為應(yīng)對(duì)氣候變化的重要技術(shù)，也是持續(xù)改進(jìn)電動(dòng)汽車(EV)和可再生能量儲(chǔ)存裝置的關(guān)鍵技術(shù)。
然而，鋰電池的供應(yīng)鏈正受到制約。分析師預(yù)計(jì)，未來十年鋰會(huì)出現(xiàn)短缺。原材料產(chǎn)量不足以滿足這上述市場(chǎng)的迫切需求，通過對(duì)技術(shù)采用的預(yù)測(cè)和礦商的投資進(jìn)行比較，可以看出鋰離子電池的供應(yīng)鏈很快就會(huì)受到很大限制。隨著世界各國政府加快向電動(dòng)汽車和可再生能源過渡的立法，這種短缺將變得更加嚴(yán)重。因此，市場(chǎng)迫切需要新的電池技術(shù)來解決鋰短缺問題。
鋰在元素周期表上的地位幾乎奠定了其能量密度之王的地位。一方面，鋰在可再生能量儲(chǔ)存方面使用壽命成本很低，優(yōu)勢(shì)顯而易見；另一方面，電動(dòng)汽車對(duì)輕型電池的需求意味著鋰不太可能被取代。不過，鋰電池的安全風(fēng)險(xiǎn)使得它不適合在人們的家庭和企業(yè)中放置大量電池組的市場(chǎng)，特別是在一些消防條例禁止使用鋰電池的地方。為此，非鋰電池在可再生能源儲(chǔ)能方面取得成功的可能性要大得多。接下來的問題是，什么技術(shù)能夠在能量儲(chǔ)存方面擊敗鋰電池，同時(shí)能夠以氣候變化所要求的速度進(jìn)行擴(kuò)展?
過去幾十年里，許多研究機(jī)構(gòu)和公司都試圖制造新的儲(chǔ)能電池，但沒有人真正成功。即使是那些已經(jīng)走出實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)，鋰電池制造成本的快速下降也令其黯然失色。
鋰電池自有其特殊性
我們先看看鋰電池是如何制造的。鋰電池被稱為插層(intercalation)電池,相同的鋰離子在陽極和陰極都發(fā)生反應(yīng),并通過液體電解質(zhì)在兩者之間流動(dòng)。當(dāng)電池放電時(shí),石墨陽極在陰極吸收鋰離子的同時(shí)向電解液中釋放鋰離子;充電時(shí)過程相反。
重要的是,電解液不需要儲(chǔ)存大量離子,它只需要充當(dāng)電極之間的導(dǎo)管。大多數(shù)其他電池化學(xué)不使用插層,而是取決于每個(gè)電極與電解液的反應(yīng)。這意味著它們通常需要大量的電解質(zhì)來儲(chǔ)存反應(yīng)物。鋰電池只需要極少量的電解液,因此非常緊湊。
鋰電池的另一個(gè)關(guān)鍵特性是它能夠在少量材料中儲(chǔ)存大量能量。這意味著鋰離子電極可以用相對(duì)較薄的活性材料涂層(即每個(gè)電極上發(fā)生反應(yīng)的材料)制成,電極總厚度小于0．1毫米。這與鉛酸電池形成了對(duì)比,鉛酸電池的電極有好幾毫米厚。在大功率應(yīng)用中,使用薄涂層可以獲得更高的能源效率和更好的性能。
低電解液體積和薄電極這兩個(gè)特性的結(jié)合推動(dòng)了鋰電池的制造過程。電極是通過在薄金屬基底上涂上薄涂層制成的。這些薄涂層允許在連續(xù)的卷到卷生產(chǎn)過程中相當(dāng)快速地涂敷和在線干燥。
隔膜可以做得很薄,因?yàn)樗恍枰獌?chǔ)存多余的電解液,在電極(通常)纏繞在一起并放入電池槽之前,將其放置在電極之間。電解液在被密封之前注入電池,并被送去進(jìn)行初始循環(huán)。這是一個(gè)精心控制的循環(huán),名為“形成循環(huán)”,會(huì)在電芯內(nèi)引起反應(yīng),從而保證其壽命。
鋰離子電池制造需要一種新的化學(xué),即必須能夠在兩個(gè)電極的少量活性物質(zhì)中儲(chǔ)存大量能量。沒有這一點(diǎn),薄鋰離子型電極與支撐它所需的金屬基板和隔膜相比,產(chǎn)生的能量就會(huì)很量。這些非活性成分的成本相當(dāng)可觀,約占鋰電池材料成本的三分之一。除非電池化學(xué)能在少量材料中儲(chǔ)存類似的大量能量,否則非活性成分的成本將令使用薄鋰離子型電極變得無法實(shí)現(xiàn)。
第二個(gè)要求是使用少量電解液的能力。電解液量大就要求使用較厚的隔膜,并限制了在給定尺寸的電池容器中可以存儲(chǔ)的能量。雖然這對(duì)成本的影響不如活性材料能量密度那么明顯,但它仍然是一個(gè)重要的考慮因素。
滿足上述要求的電池化學(xué)制品很少,在滿足市場(chǎng)要求的成本和性能要求的同時(shí)滿足這些要求的就更少。
對(duì)標(biāo)鋰電池的新突破
不管是什么技術(shù),大家都在對(duì)標(biāo)市場(chǎng)上最流行的鋰電池,能夠滿足其所有要求,才能有更大的發(fā)展?jié)摿Α?/span>
加拿大初創(chuàng)能源公司Salient Energy的首席執(zhí)行官Ryan Brown表示,全球?qū)︿囯姵氐囊蕾囈约颁囯姵仃P(guān)鍵金屬的相對(duì)稀缺將使能源轉(zhuǎn)型面臨風(fēng)險(xiǎn),除非能以千兆規(guī)模生產(chǎn)更廉價(jià)的替代品。而他的公司正在開發(fā)的鋅離子電池將比鋰電池更便宜、更安全、更耐用,而且生產(chǎn)設(shè)備與近年來推動(dòng)鋰電池價(jià)格大幅下降的制造設(shè)備相同。
這位28歲的企業(yè)家說:“我們必須重建整個(gè)世界的電網(wǎng),使其與可再生能源兼容。我們必須將世界電網(wǎng)的規(guī)模擴(kuò)大一倍或三倍,以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車和(綠色)氫能源。想想所需電池的數(shù)量吧,鋰電池?zé)o法滿足。我說的全球缺鋰,意思是每一塊鋰電池都將用于汽車。因?yàn)槟遣攀切枰椭亓康牡胤?。?/span>
他補(bǔ)充說:“凡是除了汽車的地方,我們都可以使用更重的電池,比如鋅離子電池?！边@類市場(chǎng)包括住宅、商業(yè)和工業(yè)儲(chǔ)能及船只,在這些市場(chǎng),重量不是問題,但安全至關(guān)重要。
美國想要去鋰化
Brown表示:對(duì)于西方國家“也存在供應(yīng)鏈安全問題。中國不僅鋰礦豐富,所有鋰加工也都在中國進(jìn)行,而此時(shí)國際關(guān)系正變得緊張。從目前情況來看,世界清潔技術(shù)的雄心壯志取決于與中國的關(guān)系。這似乎是一種風(fēng)險(xiǎn)?！?/span>
為了建立一個(gè)能夠支持強(qiáng)大儲(chǔ)能行業(yè)的國內(nèi)供應(yīng)鏈,美國需要在電池加工材料和制造電池方面擺脫對(duì)中國的依賴。事實(shí)上,中國生產(chǎn)了世界上大部分的電池,同時(shí)生產(chǎn)了更多的電池材料。為了實(shí)現(xiàn)美國兩黨共同的目標(biāo),建立一個(gè)強(qiáng)大的國內(nèi)電池產(chǎn)業(yè),美國試圖利用創(chuàng)新超越標(biāo)準(zhǔn)鋰電池來建立新的設(shè)計(jì),以利用在北美采購的材料。
拜登設(shè)定了到2035年實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)完全脫碳的目標(biāo)。最近的貿(mào)易戰(zhàn)凸顯了美中長期貿(mào)易關(guān)系中的風(fēng)險(xiǎn)。疫情大流行進(jìn)一步表明了依賴全球供應(yīng)鏈對(duì)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)成的風(fēng)險(xiǎn)。除了這兩個(gè)風(fēng)險(xiǎn),電池需求的快速增長還沒有得到同樣快速的采礦和原材料加工投資的滿足。多數(shù)行業(yè)分析師預(yù)計(jì),到本世紀(jì)中葉,關(guān)鍵鋰離子材料將普遍短缺。
新的電池技術(shù)可以增強(qiáng)美國的氣候野心。為了增強(qiáng)國內(nèi)電池供應(yīng)鏈的能力,拜登政府有可能確定能夠達(dá)到或超過鋰離子電池性能的替代品,同時(shí)使用廉價(jià)且國內(nèi)豐富的材料。
鋰電池是為高度便攜的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的,非常適合汽車應(yīng)用,但對(duì)于電網(wǎng)所需的固定儲(chǔ)能來說,它的價(jià)值并不太高。加州州長Gavin Newsom稱,將于2035年前禁售新燃油動(dòng)力汽車和卡車,鋰電池對(duì)這一目標(biāo)至關(guān)重要。美國幾乎沒有鋰礦開采,將鋰加工成電池級(jí)化學(xué)品也同樣受到限制。
向可再生能源過渡需要全球生產(chǎn)的電池?cái)?shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目前的數(shù)量級(jí)。現(xiàn)有技術(shù)將無法完成這項(xiàng)任務(wù)。鉛酸電池使用壽命短,不適用于需要數(shù)十年應(yīng)用的場(chǎng)合。盡管鋰離子電池目前正在解決這個(gè)問題,但其所依賴的原材料太稀缺,無法實(shí)現(xiàn)全球變暖現(xiàn)實(shí)所要求的廣泛而迅速的轉(zhuǎn)變。其他新興技術(shù)在某些關(guān)鍵方面都失敗了,比如速度太慢,無法滿足功率需求,或者體積太大,無法滿足成本要求。
鋅離子電池很可能就是一種很有前途的替代品。鋅如此便宜和豐富,通常被用來制造硬幣。鋅離子電池中使用的另一種材料是錳,同樣廉價(jià)且豐富。與鋰電池所用的材料不同,這兩種材料在北美的產(chǎn)量都足以支撐美國的氣候需要。由于鋅離子電池是水基電池,因此具有完全安全的額外優(yōu)點(diǎn),意味著它將能夠在鋰離子電池采用受到安全限制的市場(chǎng)。這種安全、低成本、持久耐用的鋰離子電池替代品可以通過安全的國內(nèi)供應(yīng)鏈輕松構(gòu)建。另一個(gè)好處是在制造工藝方面可以快速且低成本擴(kuò)展。
此鋅非彼鋅,替代技術(shù)劍指特斯拉
Salient Energy首席技術(shù)官Brian Adams介紹說,其專利技術(shù)是利用鋅離子電池化學(xué)開發(fā)的,其中包括鋅陽極,pH中性硫酸鋅電解質(zhì)和基于錳氧化物的陰極。水基電解液意味著電池不會(huì)著火,而鋅和錳這兩種原材料的稀缺程度遠(yuǎn)低于鋰、鈷和鎳,而鋰、鈷和鎳都是標(biāo)準(zhǔn)鋰電池所需要的。
利用這一技術(shù)的模塊化電池提供了與鋰電池非常相似的性能,而一旦技術(shù)規(guī)模擴(kuò)大,最終將可降低30-50%的存儲(chǔ)成本(LCOS)。因?yàn)榕c標(biāo)準(zhǔn)鋰電池提供的10年壽命相比,它們的壽命將更長——15至20年。
Brown說:“如果你看看特斯拉(去年9月)的電池日,馬斯克說,大部分成本收益都來自制造業(yè)和規(guī)模經(jīng)濟(jì),但特斯拉發(fā)現(xiàn),材料成本是最大的組成部分,這方面成本并沒有降低。因此,擁有一款材料成本低得多的電池,對(duì)于下一波的成本降低是令人興奮的?！?/span>
Brown承認(rèn),鋅基電池已經(jīng)存在了幾十年,但他說,該公司的鋅離子技術(shù)是第一個(gè)與鋰電池工作原理相同的技術(shù)——充電和放電時(shí)間為4小時(shí),電池組大小相同。他說:“它的運(yùn)作方式非常相似,重要的是,它的構(gòu)建方式是一樣的。這就產(chǎn)生了一種和鋰電池一樣容易制造的電池,但它使用的材料基本上是廉價(jià)、安全和豐富的。從系統(tǒng)集成商的角度來看,當(dāng)我們把它封裝在一個(gè)設(shè)備中時(shí),它基本上與鋰電池沒有區(qū)別。它比較重,但對(duì)于我們所追求的市場(chǎng)來說,它占據(jù)了同樣的空間,所以感覺是一樣的。”
到目前為止,Salient的鋅離子電池是唯一一種可以采用鋰離子電池的制造工藝的非鋰技術(shù),為可再生能量儲(chǔ)存提供一個(gè)有吸引力的解決方案,特別是它的兼容性以及其他優(yōu)勢(shì)。它和鋰電池一樣是通過插層來實(shí)現(xiàn)功能的。鋅離子通過水基電解液在兩個(gè)電極之間移動(dòng)發(fā)生反應(yīng)。在放電過程中,陽極上的鋅金屬以鋅離子的形式溶解在電解液中。同時(shí),鋅離子被電解質(zhì)吸收到陰極中。這個(gè)過程在充電過程中是相反的。
據(jù)介紹,Salient的鋅離子電池?fù)碛袔讉€(gè)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì):
鋅離子電池符合鋰離子電池兼容性的條件。插層的使用意味著電解液的唯一功能是作為離子的導(dǎo)管,得以使用少量的離子。此外,鋅離子電池中使用的活性材料具有非常高的能量密度,即使在薄電極中也能儲(chǔ)存足夠高的能量。
圖:獨(dú)特的插層化學(xué)為鋅電池樹立了新標(biāo)準(zhǔn)
鋅離子電池還可以改善鋰電池的制造工藝。鋰與水的強(qiáng)烈反應(yīng)性要求其許多生產(chǎn)步驟必須在高度受控的大氣中進(jìn)行,這使得鋰的生產(chǎn)過程更加昂貴和復(fù)雜。作為一種水基電池,鋅離子電池沒有這個(gè)限制。
鋅離子電池不需要形成循環(huán)。這意味著他們可以更快地從生產(chǎn)線轉(zhuǎn)移到客戶手中。這種利用鋰離子電池的制造能力意味著鋅離子電池的生產(chǎn)可以迅速而廉價(jià)地?cái)U(kuò)大規(guī)模。
全新的鋅電池解決了之前鋅電池面臨的三個(gè)關(guān)鍵問題:可充電性、能量密度和功率能力。雖然其他鋅電池在其中一個(gè)或兩個(gè)參數(shù)上表現(xiàn)出色,但Salient鋅離子電池是唯一一種能夠同時(shí)提供這三個(gè)參數(shù)的技術(shù)。
不是為了賺錢
到目前為止,Salient Energy的資金來源于高凈值人士、加拿大政府和石油巨頭殼牌公司的游戲規(guī)則改變者(GameChanger)計(jì)劃。這家總部位于新斯科舍省的公司已經(jīng)有了建設(shè)試點(diǎn)工廠的資金,并且正在考慮在不久的將來開始一輪融資。
不過,要想壓低鋰電池的價(jià)格,Salient必須擴(kuò)大技術(shù)規(guī)模,建立自己的巨型工廠,以實(shí)現(xiàn)所需的規(guī)模經(jīng)濟(jì),Brown希望在本世紀(jì)后半葉實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。
該公司今年將在新斯科舍省哈利法克斯開始建設(shè)一個(gè)試點(diǎn)制造工廠,于2022年投入運(yùn)營。然后,它計(jì)劃吸引足夠的資本,在2024年底前建造“幾百兆瓦時(shí)的工廠”。
Brown說,他預(yù)計(jì)規(guī)模相對(duì)較小的第一家工廠生產(chǎn)的電池會(huì)比鋰電池貴50-100%,但在“注重安全的利基市場(chǎng),我們可以收取額外費(fèi)用”。
“一旦我們的這些模塊在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行,并證明我們能夠制造出這樣的模塊,我們就可以獲得10多億美元的資金來建造一座巨型工廠,那么我們將開始在成本上擊敗鋰電池,”他補(bǔ)充道。他希望最終在每個(gè)大洲都有一家大型工廠開業(yè)。
他也表示,如果出現(xiàn)不同機(jī)會(huì),公司將考慮其他商業(yè)計(jì)劃。比如“如果我們有一個(gè)好的電池制造合作伙伴,它希望能獲得許可,并能加快我們技術(shù)的采用,我們會(huì)這么做?！?/span>
Brown說,他的工作重點(diǎn)是應(yīng)對(duì)氣候變化,而不是賺錢,如果能夠讓鋅離子電池更快進(jìn)入市場(chǎng),他甚至?xí)紤]出售公司?！氨热缢上抡娴暮苌瞄L制造電池。他們可能會(huì)縮短我們幾年的推廣時(shí)間,讓我們更快地開發(fā)產(chǎn)品。(如果松下愿意購買)當(dāng)然我們會(huì)同意。我們需要的是技術(shù)。我們不必登上《財(cái)富》雜志的封面,”他表示。
干掉標(biāo)準(zhǔn)鋰電池,卻干不掉鋰電設(shè)備
雖然相對(duì)較新,但鋅離子電池已被證明可提供實(shí)質(zhì)性的供應(yīng)鏈改善和安全保障。將這些優(yōu)勢(shì)與可擴(kuò)展的制造工藝相結(jié)合,將確保鋅離子電池在清潔技術(shù)的未來發(fā)揮重要作用。隨著未來產(chǎn)量的增加和規(guī)模經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì),鋅離子電池將成為鋰電池的低成本替代品。再加上使用壽命長,這將使鋅離子電池的存儲(chǔ)成本遠(yuǎn)低于目前鋰電池的存儲(chǔ)成本。
雖然鋅離子電池有望成為固定式儲(chǔ)能的默認(rèn)選擇,但對(duì)于中國為主的鋰電行業(yè)來說,并非都是壞消息。如Brown所說,鋅離子技術(shù)優(yōu)勢(shì)還包括“我們可以從中國廉價(jià)買到所有的設(shè)備。那么我們的材料成本大約是(鋰離子電池)的一半,因此我們的成本潛力比鋰電池更好。”可以看到,任何鋰電池的替代品都需要采用標(biāo)準(zhǔn)的制造工藝,才能實(shí)現(xiàn)快速、低成本的規(guī)模擴(kuò)張。
與此同時(shí),中國的企業(yè)在把鋰電池銷售到世界各地之時(shí),還需要未雨綢繆,探索用更少的鋰及其他稀有金屬來生產(chǎn)更高效的電池,才能與后來虎視眈眈的技術(shù)抗衡,讓自己不落下風(fēng)。
消滅鋰離子是不是只是一個(gè)時(shí)間問題?行業(yè)必須考慮!
（本文來源：探索科技TechSugar，作者立厷，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系工作人員刪除）
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