梦幻电池来了？能量密度是现有锂电池4倍

电动汽车电池领域正在酝酿一场革命。
去年，美国的阿贡实验室宣布已经将锂空气电池的循环次数提升到了1000次，这种电池的正极是空气，能量密度是传统锂离子电池的4倍——1200Wh/kg，可以储存足够的能量为飞机提供动力。
而据《日经中文网》2月18日最新报道，日本大阪大学的教授中西周次等人在日本科学技术振兴机构(JST)的支持下，已从今年2月开始与美国、德国和英国展开截至2028年末的国际联合研究，力争在2030年代前半期将锂空气电池推向商业化。
同日，澎湃新闻记者还从全球动力电池龙头宁德时代首席科学家吴凯了解到，宁德时代目前已有锂空气电池方面的基础研究，但离产业化较远。
市场呼唤新型动力电池
近日，《自然》发表了一篇对人类未来电动汽车电池技术的展望的文章，作者援引诸多学界研究者的观点表示，尽管现目前已成功商业化应用的锂离子电池很难被击败，但一系列的选择将很快填补不同的细分市场。
在这其中，锂空气电池由于其超高的能量密度（超越全固态电池），被认为将可能最终应用于电动飞机和高端汽车。
根据国际能源署预测，全球道路上的电动汽车存量将从2021年的1650万辆增加到2030年的近3.5亿辆，到2050年，电动汽车电池的需求将达到14太瓦时(TWh)，是2020年的90倍。
《自然》指出，电动汽车的电池有一系列严格的要求。一方面，需要在尽可能少的材料和重量中封装大量的能量，这样汽车一次充电就能跑得更远。另一方面，需要具备足够的功率，充电速度快，寿命长(通常的标准是承受1000次完全充电循环，消费者应该可以使用10-20年)，此外，电池还需要在很宽的温度范围内工作良好，安全且价格合理。
加拿大滑铁卢大学的电池研究员琳达·纳扎尔 (Linda Nazar) 对《自然》表示:“一次优化所有这些要求非常困难。”
因此，研究人员正在寻找大量的选择，适用于不同的目标。2017年，美国能源部(DoE)启动了“电池500”(Battery500)计划，目标是将电池能量密度提高到每公斤500瓦时(Wh /kg)，与当今最好的锂电池产品相比，提高了65%。
2023年，美国能源高级研究计划局(Advanced Research Projects Agency-Energy)启动了“PROPEL-1K”计划，雄心勃勃地瞄准了能量密度1000Wh /kg的长期目标。
至于动力电池的成本，美国能源部汽车技术办公室的目标是到2030年达到每千瓦时60美元，大约是今天价格的一半，这意味着电动汽车的价格，将与那些汽油发动机驱动的汽车的成本持平。
但《自然》也指出，关于尚未发布的电池或汽车的商业公告中，有时会过于强调一种指标，而在电池在实际汽车上进行多年测试之前，专利的声明不具备说服力。
关于未来，许多电池化学物质仍具有诱人的可能性。

动力电池电极的进化路径
动力电池的结构实际更像是一种化学“三明治”，其工作原理是通过一些中间材料(电解质)将带电离子从一边(负极)传送到另一边(正极)，而电子在外部电路中流动。给电池充电意味着将离子分流回负极。
现如今，大多数电动汽车使用的是锂离子电池。锂是元素周期表中第三轻的元素，它的外层有一个活性电子，这使它的离子成为很好的能量载体。锂离子在通常由石墨制成的负极和由金属氧化物制成的正极之间移动，两者都在原子层之间容纳锂离子。电解质通常是一种有机液体。
锂离子电池自1991年商业化以来已经有了很大的改进：电池的能量密度几乎增加了两倍，而价格却下降了一个数量级。
随着进一步的改进，不少观点仍然认为，锂离子电池将在很长一段时间内占据主导地位。加州洛斯阿尔托斯最近退休的科学家温弗里德·威尔克(Winfried Wilcke)说:“我认为锂离子电池技术在未来几十年内仍将是电动汽车电池的主流，因为它足够好。”
到目前为止，锂离子电池的大部分改进都来自于电池正极材料的改变，从而产生了多种商业电池类型。第一类在笔记本电脑中很流行，正极使用钴酸锂，电池重量相对较轻，但价格昂贵。第二类在许多汽车很流行，使用镍和钴与铝或锰的混合物作为正极(NCA和NCM)。第三类是磷酸铁锂(LFP)，它不需要昂贵的钴和镍，但迄今为止能量密度相对较低。
磷酸铁锂电池的价格使其具有吸引力，许多研究人员和公司都在努力改进。例如，从2021年开始，美国电动汽车制造商特斯拉决定在其中档汽车中使用磷酸铁锂电池。
对于锂离子电池而言，电池正极还有更多调整的余地。例如在镍钴锰电池中，研究人员一直在减少更昂贵的钴，转而使用镍，镍也能提供更高的能量密度。顺着这条道路，已经产生了商业化的镍含量为80%的NCM811电池正极，研究人员现在正在研究镍含量为90%的NCM955。

与此同时，在负极，一个常见的选择是用硅代替石墨，跟石墨相比，这种材料每单位重量可以储存10倍以上的锂原子。挑战在于，在充放电循环中，硅会膨胀和收缩约300%，给电池带来很大的结构压力，并限制其使用寿命。
比硅负极更好的是锂金属本身。除了减轻电池重量外，还可以加快电池充电速度，因为无需等待锂离子在任何层之间插入。但这种电池的一个大问题是，在充电过程中，锂倾向于不均匀地重新沉积在负极上，形成枝晶，穿过电解质并使电池短路。
去年，中国的卫蓝新能源公司的研究人员报告了一种锂金属负极(和一种富含锂的正极)的电池，能量密度在实验室中达到了700Wh/kg以上。卫蓝新能源的目标是开发和商业化这种电池。理论上，具有更好电极的锂金属电池可以实现巨大的能量密度，但通常在电池寿命或安全性方面需要权衡。
另一个提供高能量密度的想法是锂硫电池，电池采用锂金属负极和硫正极。但硫与锂发生反应，生成可溶解的产物，这些产物会沉积在负极上。
由于这些问题困扰着具有更好电极的锂离子电池，许多人认为最诱人的解决方案是用固体电解质代替液体电解质，即全固态电池。
全固态电池的概念是使用陶瓷或固体聚合物作为电解质，它承载锂离子的通道，但有助于阻止枝晶的形成。这不仅使使用全锂负极变得更容易，随之而来具有能量密度优势，而且摆脱了易燃的有机液体，也意味着消除了可能引起火灾的危险。
此外，全固态电池的电池结构比液体电池简单，从理论上讲，全固体电池在低温(因为低温时没有液体变得更粘稠)和高温(因为与电极的界面在高温下不会受到太大影响)下都能更好地工作。
但全固态电池也存在挑战，特别是如何在各层之间制造一个光滑、完美的界面。此外，离子在固体中的传输速度比在液体中的传输速度要慢，从而限制了功率。而固态电池需要一种全新的制造工艺。“就目前来看，全固态电池会更贵。”加州大学伯克利分校的材料科学家Gerbrand Ceder说。
去年，一些电池公司正在向全固态电池加速迈进。例如，位于美国科罗拉多州的Solid Power公司(与汽车制造商宝马和福特合作)已经开始了一种全固态电池的中试，该电池采用硅基负极，能量密度据称达到390Wh/kg。
位于美国加州的QuantumScape公司(已与包括大众汽车在内的制造商签署了协议)生产的全固态电池具有锂金属负极的优点，重量更轻，设计中没有正极。QuantumScape已经发布了一些原型电池的性能数据。
但全固态电池驱动的汽车似乎永远都在地平线上。例如，丰田原本计划在本世纪20年代初实现固态电池的商业化，现在却推迟到了本世纪20年代末。
“丰田在过去十年里说了很多话，但都没有实现，”Ceder警告说。固态电池被吹捧的更高能量密度“在任何商业规模上都没有得到证实”。
但纳扎尔认为，这个时间框架总体上是现实的。她表示:“我相信，到2025年，我们可能会看到其中一些全固态电池进入市场。”尤其是考虑到一些雄心勃勃的中国公司正在参与，其中包括全球最大电池制造商宁德时代。
与此同时，许多研究人员正在寻找改善全固态电池的方法。例如德国慕尼黑工业大学的化学家詹妮弗·鲁普(Jennifer Rupp)在慕尼黑成立了一家名为QKera的公司，该公司生产陶瓷电解质的温度是通常的1000°C的一半。这既有助于限制制造过程中二氧化碳排放，也有助于解决将电解质与正极结合的一些问题。
锂空气电池——梦幻动力电池？
锂空气电池使用锂金属负极，而正极则是基于锂与氧气的结合，氧气从空气中抽出，在电池充电时再次释放出来。这种设计让电池单体可以储存更多的能量，部分原因是关键的正极成分没有储存在电池中。

但这个想法长期以来似乎都是推测性的。“我的一些同事称之为童话般的化学，”纳扎尔说。
去年，美国伊利诺斯州莱蒙特阿贡国家实验室的材料科学家拉里·柯蒂斯团队发表了一篇论文，展示了一种固态的实验性锂空气电池，该电池在实验室中经过了1000多次循环测试。该团队表示，其硬币大小的测试电池运行时的能量密度约为685Wh/kg，实际能够达到1200Wh/kg，是目前锂离子电池可达到的能量密度的4倍，大致与汽车汽油的能量密度相当。
这个实验室使用了一种新的固体电解质物质——一种陶瓷聚合物，以前的锂空气电池项目通常使用液态电解质，在正极生成超氧化物锂(LiO2)或过氧化锂(Li2O2)，每个氧分子存储一到两个电子。这种新型电池可以生成可以容纳4个电子的氧化锂(Li2O)。这些额外的电子转化为更高的能量密度，系统似乎比以前的更稳定，使得电池具有更长的寿命。
拉里·柯蒂斯说，考虑到该电池的能量密度很大，该团队正在考虑将航空作为该技术的最佳应用。
温弗里德·威尔克评价说，这项成果令人惊讶，“他们可以使用含有水分、二氧化碳和其他垃圾的普通脏空气，这些都是未经过滤的空气。”
不过，仍然有许多人表示， 在兴奋之前，他们希望看到成果得到复制。虽然这是一个很棒的能量储存系统，但目前还不清楚它在实践中如何工作——例如，如何让空气进出，以及能否把电池造得更大，在更高的电流下工作。
成本还是动力电池绕不开的话题
随着对神奇电池的不断探索，一些科学家还认为，最紧迫的问题，是需要选择一种从长远来看既便宜又可持续的电池化学物质。
“最大的挑战是与资源相关的，”加州大学伯克利分校的材料学家Ceder说，他计算出，到2050年，汽车所需14太瓦时电池将总体需要1400万吨金属。相比之下，目前全球每年锂的开采量约为13万吨，而钴的开采量接近20万吨，镍的开采量为330万吨——包括非电动汽车电池和含镍的不锈钢。
许多研究人员和公司正在尝试制造不使用镍、钴或其他昂贵金属的电池。例如，QuantumScape公司表示，他们的电池具有这种优势，锂空气概念电池、已经商业化的磷酸铁锂也具有这种优势(但如果这种技术大规模发展，磷酸铁锂可能会对磷资源造成压力)。

Ceder正在研究一种叫做无序岩盐(DRX)8的替代正极。原理是锂离子可以在晶体正极中蜿蜒穿行，而不是沿着有序的路径层层穿过，因此正极几乎可以用任何过渡金属制成。Ceder的团队倾向于锰和钛。他预计第一批带有DRX正极的电池将比目前的锂离子电池更便宜，并达到相当的能量密度。
也许最终的目标是摆脱锂本身——由于需求的激增和供应的瓶颈。研究人员曾尝试用镁、钙、铝和锌等大量其他材料替代锂，但在钠方面的工作最为先进。
钠在元素周期表中位于锂的正下方，使其原子更重更大，但具有相似的化学性质。这意味着锂电池开发和制造的许多经验教训可以复制到钠电池上。而且钠更容易获得：它在地壳中的含量大约是锂的1000倍。
Ceder认为，钠电池的成本最终可能在每千瓦时50美元左右。
钠电池已经投入商业化生产。比亚迪第一家钠离子电池厂已经破土动工，中国汽车制造商奇瑞、江淮今年都宣布推出钠离子电池驱动的经济型汽车，这些小型车的标价预计在1万美元左右。
从好的方面来看，钠的原子尺寸更大，为正极层状金属氧化物提供了更多的选择，研究人员还可以用钠制造一种无负极的固态电池。
但钠电池的问题不是没有。与锂相比，钠的重量更重，从根本上说，很难达到高能量密度——钠离子电池的能量密度现在大致相当于十年前最好的锂离子电池。宁德时代的钠电池在2021年达到了160Wh/kg的宣传能量密度，据报道，价格为每千瓦时77美元。宁德时代表示，下一代钠电池的能量密度将提高到200Wh/kg。
较低的能量密度意味着续航范围有限。预计使用钠电池的超紧凑型汽车的续航里程约为250-300公里，而锂电池驱动的特斯拉Model S的续航里程接近600公里。
另外一些公司，包括英国的Faradion和瑞典的Northvolt，正在推广他们的钠电池（能量密度也都被公告为160Wh/kg)，为电网储存多余的可再生能源。
电池需要更环保
《自然》杂志指出，新电池的开发工作漫长而繁重，因为材料的性能并不总是可预测的。不过，人工智能(AI)和自动合成将提供帮助。例如，美国能源部位于华盛顿州的西北太平洋国家实验室正在与微软公司合作，迅速研发出新的电池材料，以这种方式发现的锂钠固体电解质目前正处于初步测试阶段。
关于动力电池的未来，专家们说，我们很可能会在未来的汽车上看到一系列的电池——就像今天的2缸、4缸和6缸发动机一样。
例如，我们可能会在低端汽车、叉车或专业车辆上看到钠电池或磷酸铁锂电池；可能会有使用硅负极或岩盐正极的锂离子电池，或者全固态电池用于中档汽车；可能会有用于高端汽车或飞行汽车的锂金属电池甚至锂空气电池。
但这些都还有很多工作要做。 “所有尚未商业化的化学物质都各有其优缺点。”位于弗吉尼亚州的美国能源部车辆技术办公室的化学工程师布莱恩·坎宁安称，“我们的工作就是消除所有这些弊端。”