多國押注鎂電池 “后鋰電池”時代要來了嗎?

                    2021-11-22 09:47  來源:環球時報  瀏覽:  

                    如今各種鋰電池已經成為日常生活里必不可少的設備,無論是手機、電腦、可穿戴設備還是新能源汽車,它的應用變得越來越廣泛。但隨之而來的是外界對鋰電池資源的擔憂,尤其是今年以來鋰電池相關原材料價格出現飛漲,逼迫各國紛紛加快布局“后鋰電池”時代。

                    《日本經濟新聞》網站20日以《鋰電池何時被超越?》為題報道稱,英國劍橋大學、丹麥及以色列的知名工科大學以及德國、西班牙的研究機構組成的聯合研究團隊“E-Magic”在歐盟的資金支持下,正以2030年為目標,加快開發突破性的高容量、環保性更好的鎂電池和鋅電池。

                    報道稱,鋰電池最早在20世紀90年代開始由日本索尼公司實現商用化,它比之前的鎳氫電池、鉛酸電池能存儲更多電能,如今已經在新能源汽車、個人電腦、智能手機等產品上得到普及,相關研究還在2019年獲得諾貝爾化學獎。但鋰電池的最大缺點就是成本高。報道舉例稱,如果將鋰電池作為大規模儲存太陽能或風能等可再生能源的儲能電池,日本經濟產業省的資料顯示,想將其成本降到跟水力發電相當的每千瓦時2.3萬日元的水平“是白日做夢”。

                    因此“后鋰電池”時代的主要目標是壓縮成本和提高耐用性。“E-Magic”瞄準了成本更低的鎂電池。鎂離子可以攜帶2個正電荷,而鋰離子只能攜帶1個,因此理論上鎂電池的能量密度可以比鋰電池更大。目前實驗室的鎂電池已經能反復充放電超過500次。研究人員將致力于改進電解液及開發新的電極材料。同時豐田的北美研究所和美國休斯敦大學也在開發新型鎂電池,它的電極正極材料采用有機化合物,電解質采用硼。雖然這種鎂電池目前只能充放電200次,但研究團隊稱“已經找到了開發出高穩定性、高性能電池的方向”。

                    除了鎂電池外,報道提到日本東北大學的小林弘明助教和本間格教授也在開發新型鋅電池,他們用水溶液取代有機溶劑作為電解液,降低了火災事故的風險,由于其成本低,未來有望用于儲蓄可再生能源電力。

                    替代技術尚不成熟

                    真鋰研究首席分析師墨柯21日接受《環球時報》記者采訪時表示,就當前正在發展的鋰電池替代技術而言,除了日本媒體提到的鎂電池、鋅電池,還有相對更成熟的鈉電池。事實上,鈉離子電池和鋰離子電池均起源于上世紀70年代,它們的工作原理也高度相似。只是受制于沒有合適的電極材料,鈉電池一直到2000年之后才取得突破。當前技術最先進的鈉電池是中國寧德時代今年7月發布的,具備全球最高的能量密度(160Wh/kg)和超快充特性(15分鐘可充電80%)。預計寧德時代下一代鈉電池能量密度可突破200Wh/kg;計劃于2023年形成基本產業鏈。

                    墨柯認為,從目前的發展情況來看,無論是鎂電池、鋅電池還是鈉電池,其成熟度距離大規模商業化應用還有相當差距,甚至只是處于實驗室階段,性能也有不少缺陷。他表示,外界對于這些鋰電池替代技術如此熱心,核心原因不在于它們的性能更好,而是資源更豐富、原材料價格更便宜。

                    正如《日本經濟新聞》提到的,鋰電池原材料——鋰、鎳、鈷的產地分布極度不均。相關資料顯示,近80%鋰資源產量主要集中在美洲四湖以及澳洲六礦,中國需要的鋰資源80%以上都要靠進口;鎳資源多數集中在印尼、澳大利亞、巴西、俄羅斯、古巴和菲律賓等地區,這六國的鎳儲量占比全球儲量近78%;全球已探明鈷資源由約51%分布在剛果(金)。相比之下,鈉、鎂、鋅的儲量要高得多。例如鋰在地殼中的儲量為0.0065%,全球儲量僅有8600萬噸,而鈉在地殼中的儲量為2.74%,僅中國柴達木盆地的鈉鹽儲量就達到3216億噸。

                    但另一方面,鎂電池和鋅電池在技術和材料上仍有相當多障礙有待克服,目前還沒有找到比較合適的電極材料,更談不上大規模應用。墨柯預測,考慮到一項新技術從實驗室研制到量產再到大規模應用的過程,這些替代技術可能需要等待二三十年才能發展成熟。他還表示,即便是相對成熟的鈉電池,由于鈉離子半徑和體積相對較大,因此在能量密度提升上受到限制,可能更適合儲能電池、二輪電動車等對能量密度要求不高的領域。寧德時代透露,已經開發出了鈉電池和鋰電池共用的體系,彼此可以“取長補短”。

                    鋰電池還可以再“挖潛”

                    如果鋰電池在短時間內還難以被取代,那么它的未來又如何呢?墨柯認為,今年以來鋰電池相關原材料價格的飛漲存在人為炒作的成分,單就鋰資源的儲備量而言,雖然遠不如鈉鎂鋅,但在未來三五十年內是絕對夠用的。

                    同時鋰電池的潛力還遠沒有被挖掘干凈。墨柯表示,鋰電池理論能量密度最高可達到700Wh/kg,目前高鎳811電池(即電池正極材料中鎳占比80%、鈷占比10%、錳占比10%)的能量密度能達到260-270Wh/kg,而日韓頭部電池企業在2021年都推出鎳含量在90%以上超高鎳電池產品,再加上負極采用硅碳材料,有望將能量密度提高到400Wh/kg,相當于鋰電池的儲電能力提升了50%。此外,多國還在研究將鋰電池的液態電解液替換為固體電解質,可以同時提高其能量密度和安全性。
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