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【中國鐵合金網(wǎng)訊】電動(dòng)汽車的發(fā)展需要高能量、輕便且價(jià)格合理的電池，相對(duì)于其它電池，輕便且穩(wěn)定的鋰離子電池（LIBs）就成了最好的選擇。雖然經(jīng)過20多年來的努力，LIBs的性能得到巨大提升。一公升大小的電池組中可存儲(chǔ)的能量增加了兩倍多，從~200Wh/L到超過700 Wh/L。成本下降了30倍，達(dá)到每千瓦時(shí)（kWh）150美元左右。但這仍然超過了美國能源部設(shè)定的100$/ kWh的目標(biāo)。對(duì)于電動(dòng)汽車來說能為它提供足夠動(dòng)力的電池組仍然重約600公斤，占用500升空間，且價(jià)格昂貴。

 隨著傳統(tǒng)技術(shù)已瀕臨極限，電極材料中可存儲(chǔ)的電荷量幾乎達(dá)到極限，LIBs的研究進(jìn)展速度正逐漸放緩。市場的不斷增長，使LIBs降價(jià)更顯得遙不可及。雪上加霜的是，電極材料，尤其是稀有金屬，如鈷和鎳，儲(chǔ)量稀少且價(jià)格昂貴。在過去兩年中，電池需量的激增使鈷的價(jià)格幾乎翻了兩番，從每公斤22美元飆升至81美元。俗話說“天下攘攘，皆為利往”，高需求和高價(jià)格使得一些黑心商家偷工減料并不惜違反法規(guī)。在中國，石墨礦釋放的灰塵已經(jīng)破壞了生態(tài)環(huán)境，污染了水源。在非洲，一些礦主使用童工且不給他們?nèi)魏蔚姆雷o(hù)措施。

 在美國亞特蘭大佐治亞理工學(xué)院Gleb Yushin教授及其同事看來，最有希望的是利用廉價(jià)金屬得到的“轉(zhuǎn)換型正極材料Conversion-type cathode materials”，如銅/鐵氟化物。但這種技術(shù)仍處于早期階段，必須克服穩(wěn)定性，充電速度和制造工藝等方面的難題。相關(guān)陳述發(fā)表在Nature期刊上。

作者在文中呼吁材料科學(xué)家們應(yīng)根據(jù)豐富的元素優(yōu)先研究和開發(fā)電極。否則，電動(dòng)車的推廣將在十年內(nèi)遭受重創(chuàng)甚至停止。為何這樣說？

 鎳和鈷稀缺且昂貴

常見的正極氧化物材料包括鎳鈷鋁氧化物（NCA，通常為LiNi0.8Co0.15Al0.05O2）或鎳鈷錳氧化物（NCM，通常為LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2或LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2）。具有100kg正極的鋰離子汽車電池需要6~12kg的鈷和36~48kg的鎳。鈷通常是銅和鎳開采的副產(chǎn)品，富含鈷的礦物質(zhì)只在少數(shù)幾個(gè)地方被發(fā)現(xiàn)，但很少有鈷礦床集中到足以值得采礦。大多數(shù)沉積物僅含有0.003％的金屬。在地殼中存儲(chǔ)的1015噸鈷中只有107噸可以提取。同樣，全球1015噸鎳儲(chǔ)量中也只有1015噸具有商業(yè)可行性。

富含鈷的礦物質(zhì)只在少數(shù)幾個(gè)地方被發(fā)現(xiàn)。在2015年全球開采的14.8萬噸鈷金屬中，剛果民主共和國（DRC）所提供的超過一半（56％），其中大部分流向中國。中國的庫存量僅為20萬至40萬噸。澳大利亞擁有世界上14％的鈷儲(chǔ)量，尚未完全開采。鈷也可從深海底層開采出來，但過于昂貴，從生態(tài)和經(jīng)濟(jì)角度而言都是如此。

同樣，鎳生產(chǎn)主要由十幾個(gè)國家主導(dǎo)。2017年，印度尼西亞，菲律賓，加拿大，新喀里多尼亞，俄羅斯和澳大利亞共同提供了全球210萬噸鎳采礦量的72％，但其中不到十分之一用于電池，其余的主要用于鋼鐵和電子產(chǎn)品。鎳是非常便宜的，但盡管如此，需求上升使鎳價(jià)自2015年以來上漲了約50％，從每公斤9美元升至14美元。

鈷和鎳預(yù)計(jì)將會(huì)出現(xiàn)短缺

如果我們現(xiàn)在還不做出改變，隨著LIBs的需求量持續(xù)增長，預(yù)計(jì)到2030年鈷會(huì)斷貨，同樣的鎳可能會(huì)在2037年或更早一點(diǎn)斷貨。電池需求不斷增長，撐爆了目前開采和提煉能力后，將來在高價(jià)的誘惑下，生產(chǎn)廠家可能會(huì)利用質(zhì)量較差的礦石為原料，但隨之而來的是加工成本被抬高。

汽車制造商和政府部門預(yù)計(jì)，到2025年，每年將生產(chǎn)1000萬~2000萬輛電動(dòng)汽車。如果每輛汽車電池需要10kg鈷，到2025年，電動(dòng)汽車每年需要10萬~20萬噸鈷，這將會(huì)占據(jù)世界目前產(chǎn)量一大部分。同樣，每年需要40萬~80萬噸鎳，這將占今天所用金屬鎳的20~40％。如果將來當(dāng)更多的卡車，公共汽車，飛機(jī)和輪船等都使用電池供電時(shí)，還需要更多。到2050年，每年生產(chǎn)5000萬~8000萬輛電動(dòng)汽車則需要50萬~80萬噸鈷。按目前的采礦能力已經(jīng)不能承受。同樣，到2050年，鎳的需求量也將增加2-3倍。到2030年代中期，鎳的短缺將會(huì)很明顯。回收雖然是必走之路，但仍不能彌補(bǔ)缺口。

未來電池材料的出路幾何？

如果用普通金屬（鐵、銅）來制造鋰離子電池正極材料，則足以供應(yīng)數(shù)十億電池。比如鐵不僅價(jià)格低廉（6至6美分/kg）而且儲(chǔ)量豐富（760億噸）。傳統(tǒng)的富鐵材料（LFPs; LiFePO4）和富錳材料（LiMnO2或LiMn2O4）都存在種種缺點(diǎn)，因此最有希望的替代方案是在電極中使用“轉(zhuǎn)換型正極材料”。銅/鐵氟化物和硅可與鋰離子反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)鋰的存儲(chǔ)，可以容納比標(biāo)準(zhǔn)正極多六倍的鋰。

轉(zhuǎn)換型正極材料的機(jī)理：它的電化學(xué)轉(zhuǎn)換反應(yīng)是一種不同于傳統(tǒng)的鋰離子嵌入/脫出反應(yīng)的新型儲(chǔ)鋰機(jī)制。脫嵌鋰過程中會(huì)發(fā)生斷鍵和成鍵化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)過程中有多個(gè)電子轉(zhuǎn)移，因此基于電化學(xué)轉(zhuǎn)換反應(yīng)機(jī)理的電極材料都具備非常高的理論比容量。這類電極材料主要有過渡金屬的氧化物、硫化物或者氟化物等幾種類型，其中過渡金屬氟化物由于其較強(qiáng)的離子鍵而具備較高的工作電位，比較適合做鋰離子電池的正極材料。其中硅基材料非常適合與之搭配。

一旦這兩種材料的成功運(yùn)用，為電動(dòng)汽車提供動(dòng)力的電池可以減少一半，同時(shí)成本，重量和體積將減少一半甚至更多。但要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，電池研究者們需要研發(fā)高性能氟化物材料和更有效的電解質(zhì)。工程師需要努力開發(fā)使用這些材料的設(shè)備和工藝。除此之外，轉(zhuǎn)換型材料制備的電池還有一些缺點(diǎn)，例如電導(dǎo)率低，倍率性能不佳；轉(zhuǎn)換材料與電解液的副反應(yīng)嚴(yán)重；正、負(fù)極SEI膜形成較厚，有電壓滯后現(xiàn)象；電極充電后膨脹收縮比較嚴(yán)重。

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