三十年來，鋰離子電池一直為我們的便攜式設(shè)備提供動(dòng)力，不過其局限性變得越來越明顯，取代它們的競賽也在順利進(jìn)行。據(jù)《日經(jīng)亞洲評(píng)論》報(bào)道，鎂離子技術(shù)和鋅離子技術(shù)或許是兩種選擇，預(yù)計(jì)將在2030年之后替代鋰離子電池。
多國押注鎂電池
《日本經(jīng)濟(jì)新聞》網(wǎng)站20日以《鋰電池何時(shí)被超越？》為題報(bào)道稱，英國劍橋大學(xué)、丹麥及以色列的知名工科大學(xué)以及德國、西班牙的研究機(jī)構(gòu)組成的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)“E-Magic”在歐盟的資金支持下，正以2030年為目標(biāo)，加快開發(fā)突破性的高容量、環(huán)保性更好的鎂電池和鋅電池。
報(bào)道稱，鋰電池最早在20世紀(jì)90年代開始由日本索尼公司實(shí)現(xiàn)商用化，它比之前的鎳氫電池、鉛酸電池能存儲(chǔ)更多電能，如今已經(jīng)在新能源汽車、個(gè)人電腦、智能手機(jī)等產(chǎn)品上得到普及，相關(guān)研究還在2019年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。但鋰電池的最大缺點(diǎn)就是成本高。報(bào)道舉例稱，如果將鋰電池作為大規(guī)模儲(chǔ)存太陽能或風(fēng)能等可再生能源的儲(chǔ)能電池，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省的資料顯示，想將其成本降到跟水力發(fā)電相當(dāng)?shù)拿壳邥r(shí)2.3萬日元的水平“是白日做夢(mèng)”。
因此“后鋰電池”時(shí)代的主要目標(biāo)是壓縮成本和提高耐用性。“E-Magic”瞄準(zhǔn)了成本更低的鎂電池。鎂離子可以攜帶2個(gè)正電荷，而鋰離子只能攜帶1個(gè)，因此理論上鎂電池的能量密度可以比鋰電池更大。目前實(shí)驗(yàn)室的鎂電池已經(jīng)能反復(fù)充放電超過500次。研究人員將致力于改進(jìn)電解液及開發(fā)新的電極材料。同時(shí)豐田的北美研究所和美國休斯敦大學(xué)也在開發(fā)新型鎂電池，它的電極正極材料采用有機(jī)化合物，電解質(zhì)采用硼。雖然這種鎂電池目前只能充放電200次，但研究團(tuán)隊(duì)稱“已經(jīng)找到了開發(fā)出高穩(wěn)定性、高性能電池的方向”。
除了鎂電池外，報(bào)道提到日本東北大學(xué)的小林弘明助教和本間格教授也在開發(fā)新型鋅電池，他們用水溶液取代有機(jī)溶劑作為電解液，降低了火災(zāi)事故的風(fēng)險(xiǎn)，由于其成本低，未來有望用于儲(chǔ)蓄可再生能源電力。
替代技術(shù)尚不成熟
真鋰研究首席分析師墨柯21日接受《環(huán)球時(shí)報(bào)》記者采訪時(shí)表示，就當(dāng)前正在發(fā)展的鋰電池替代技術(shù)而言，除了日本媒體提到的鎂電池、鋅電池，還有相對(duì)更成熟的鈉電池。事實(shí)上，鈉離子電池和鋰離子電池均起源于上世紀(jì)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(dāng)前技術(shù)最先進(jìn)的鈉電池是中國寧德時(shí)代今年7月發(fā)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(yù)計(jì)寧德時(shí)代下一代鈉電池能量密度可突破200Wh/kg；計(jì)劃于2023年形成基本產(chǎn)業(yè)鏈。
墨柯認(rèn)為，從目前的發(fā)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(guī)模商業(yè)化應(yīng)用還有相當(dāng)差距，甚至只是處于實(shí)驗(yàn)室階段，性能也有不少缺陷。他表示，外界對(duì)于這些鋰電池替代技術(shù)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(jià)格更便宜。
正如《日本經(jīng)濟(jì)新聞》提到的，鋰電池原材料——鋰、鎳、鈷的產(chǎn)地分布極度不均。相關(guān)資料顯示，近80%鋰資源產(chǎn)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(jìn)口；鎳資源多數(shù)集中在印尼、澳大利亞、巴西、俄羅斯、古巴和菲律賓等地區(qū)，這六國的鎳儲(chǔ)量占比全球儲(chǔ)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(chǔ)量要高得多。例如鋰在地殼中的儲(chǔ)量為0.0065%，全球儲(chǔ)量僅有8600萬噸，而鈉在地殼中的儲(chǔ)量為2.74%，僅中國柴達(dá)木盆地的鈉鹽儲(chǔ)量就達(dá)到3216億噸。
但另一方面，鎂電池和鋅電池在技術(shù)和材料上仍有相當(dāng)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(guī)模應(yīng)用。墨柯預(yù)測(cè)，考慮到一項(xiàng)新技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室研制到量產(chǎn)再到大規(guī)模應(yīng)用的過程，這些替代技術(shù)可能需要等待二三十年才能發(fā)展成熟。他還表示，即便是相對(duì)成熟的鈉電池，由于鈉離子半徑和體積相對(duì)較大，因此在能量密度提升上受到限制，可能更適合儲(chǔ)能電池、二輪電動(dòng)車等對(duì)能量密度要求不高的領(lǐng)域。寧德時(shí)代透露，已經(jīng)開發(fā)出了鈉電池和鋰電池共用的體系，彼此可以“取長補(bǔ)短”。
鋰電池還可以再“挖潛”
如果鋰電池在短時(shí)間內(nèi)還難以被取代，那么它的未來又如何呢？墨柯認(rèn)為，今年以來鋰電池相關(guān)原材料價(jià)格的飛漲存在人為炒作的成分，單就鋰資源的儲(chǔ)備量而言，雖然遠(yuǎn)不如鈉鎂鋅，但在未來三五十年內(nèi)是絕對(duì)夠用的。
同時(shí)鋰電池的潛力還遠(yuǎn)沒有被挖掘干凈。墨柯表示，鋰電池理論能量密度最高可達(dá)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(dá)到260-270Wh/kg，而日韓頭部電池企業(yè)在2021年都推出鎳含量在90%以上超高鎳電池產(chǎn)品，再加上負(fù)極采用硅碳材料，有望將能量密度提高到400Wh/kg，相當(dāng)于鋰電池的儲(chǔ)電能力提升了50%。此外，多國還在研究將鋰電池的液態(tài)電解液替換為固體電解質(zhì)，可以同時(shí)提高其能量密度和安全性。
