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去鋰化,鋅電能否干掉鋰電池?
去鋰化,鋅電能否干掉鋰電池?

鋰電化,打壓特斯拉,近乎標準鋰電池工藝或帶來中國機會

文︱立厷

新任美國總統拜登設定的目標是到2035年實現電網完全脫碳,鋰電池仍是當今最受歡迎的電池存儲選擇。面對全球缺鋰,幾乎每一塊鋰電池都要用在有重量要求的汽車里,誰能干掉標準鋰電池技術,占領儲能行業的半壁江山?想和鋰電搶生意的技術還真不少,不過都在醞釀之中,不是技術本身存在問題,就是量產可行性有待論證,因此真正能與鋰電池技術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準鋰電池工藝設備的技術浮出水面,讓人們對其前景高看了一眼。研發者對其前景充滿信心,言之鑿鑿地要以此開創出一片儲能新天地。

鋰電仍是能量密度之王

不言而喻,鋰電池控制著全球90%以上的電網電池存儲市場,鋰電池已成為應對氣候變化的重要技術,也是持續改進電動汽車(EV)和可再生能量儲存裝置的關鍵技術。

然而,鋰電池的供應鏈正受到制約。分析師預計,未來十年鋰會出現短缺。原材料產量不足以滿足這上述市場的迫切需求,通過對技術采用的預測和礦商的投資進行比較,可以看出鋰離子電池的供應鏈很快就會受到很大限制。隨著世界各國政府加快向電動汽車和可再生能源過渡的立法,這種短缺將變得更加嚴重。因此,市場迫切需要新的電池技術來解決鋰短缺問題。

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,鋰在可再生能量儲存方面使用壽命成本很低,優勢顯而易見;另一方面,電動汽車對輕型電池的需求意味著鋰不太可能被取代。不過,鋰電池的安全風險使得它不適合在人們的家庭和企業中放置大量電池組的市場,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,什么技術能夠在能量儲存方面擊敗鋰電池,同時能夠以氣候變化所要求的速度進行擴展?

過去幾十年里,許多研究機構和公司都試圖制造新的儲能電池,但沒有人真正成功。即使是那些已經走出實驗室的技術,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生反應,并通過液體電解質在兩者之間流動。當電池放電時,石墨陽極在陰極吸收鋰離子的同時向電解液中釋放鋰離子;充電時過程相反。

重要的是,電解液不需要儲存大量離子,它只需要充當電極之間的導管。大多數其他電池化學不使用插層,而是取決于每個電極與電解液的反應。這意味著它們通常需要大量的電解質來儲存反應物。鋰電池只需要極少量的電解液,因此非常緊湊。

鋰電池的另一個關鍵特性是它能夠在少量材料中儲存大量能量。這意味著鋰離子電極可以用相對較薄的活性材料涂層(即每個電極上發生反應的材料)制成,電極總厚度小于0.1毫米。這與鉛酸電池形成了對比,鉛酸電池的電極有好幾毫米厚。在大功率應用中,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特性的結合推動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的卷到卷生產過程中相當快速地涂敷和在線干燥。

隔膜可以做得很薄,因為它不需要儲存多余的電解液,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,并被送去進行初始循環。這是一個精心控制的循環,名為“形成循環”,會在電芯內引起反應,從而保證其壽命。

鋰離子電池制造需要一種新的化學,即必須能夠在兩個電極的少量活性物質中儲存大量能量。沒有這一點,薄鋰離子型電極與支撐它所需的金屬基板和隔膜相比,產生的能量就會很量。這些非活性成分的成本相當可觀,約占鋰電池材料成本的三分之一。除非電池化學能在少量材料中儲存類似的大量能量,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現。

第二個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的能量。雖然這對成本的影響不如活性材料能量密度那么明顯,但它仍然是一個重要的考慮因素。

滿足上述要求的電池化學制品很少,在滿足市場要求的成本和性能要求的同時滿足這些要求的就更少。

對標鋰電池的新突破

不管是什么技術,大家都在對標市場上最流行的鋰電池,能夠滿足其所有要求,才能有更大的發展潛力。

加拿大初創能源公司Salient Energy的首席執行官Ryan Brown表示,全球對鋰電池的依賴以及鋰電池關鍵金屬的相對稀缺將使能源轉型面臨風險,除非能以千兆規模生產更廉價的替代品。而他的公司正在開發的鋅離子電池將比鋰電池更便宜、更安全、更耐用,而且生產設備與近年來推動鋰電池價格大幅下降的制造設備相同。

這位28歲的企業家說:“我們必須重建整個世界的電網,使其與可再生能源兼容。我們必須將世界電網的規模擴大一倍或三倍,以實現電動汽車和(綠色)氫能。想想所需電池的數量吧,鋰電池無法滿足。我說的全球缺鋰,意思是每一塊鋰電池都將用于汽車。因為那才是需要低重量的地方。”

他補充說:“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。”這類市場包括住宅、商業和工業儲能及船只,在這些市場,重量不是問題,但安全至關重要。

美國想要去鋰化

Brown表示:對于西方國家“也存在供應鏈安全問題。中國不僅鋰礦豐富,所有鋰加工也都在中國進行,而此時國際關系正變得緊張。從目前情況來看,世界清潔技術的雄心壯志取決于與中國的關系。這似乎是一種風險。”

為了建立一個能夠支持強大儲能行業的國內供應鏈,美國需要在電池加工材料和制造電池方面擺脫對中國的依賴。事實上,中國生產了世界上大部分的電池,同時生產了更多的電池材料。為了實現美國兩黨共同的目標,建立一個強大的國內電池產業,美國試圖利用創新超越標準鋰電池來建立新的設計,以利用在北美采購的材料。

拜登設定了到2035年實現電網完全脫碳的目標。最近的貿易戰凸顯了美中長期貿易關系中的風險。疫情大流行進一步表明了依賴全球供應鏈對關鍵基礎設施構成的風險。除了這兩個風險,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。多數行業分析師預計,到本世紀中葉,關鍵鋰離子材料將普遍短缺。

新的電池技術可以增強美國的氣候野心。為了增強國內電池供應鏈的能力,拜登政府有可能確定能夠達到或超過鋰離子電池性能的替代品,同時使用廉價且國內豐富的材料。

鋰電池是為高度便攜的應用而設計的,非常適合汽車應用,但對于電網所需的固定儲能來說,它的價值并不太高。加州州長Gavin Newsom稱,將于2035年前禁售新燃油動力汽車和卡車,鋰電池對這一目標至關重要。美國幾乎沒有鋰礦開采,將鋰加工成電池級化學品也同樣受到限制。

向可再生能源過渡需要全球生產的電池數量遠遠大于目前的數量級?,F有技術將無法完成這項任務。鉛酸電池使用壽命短,不適用于需要數十年應用的場合。盡管鋰離子電池目前正在解決這個問題,但其所依賴的原材料太稀缺,無法實現全球變暖現實所要求的廣泛而迅速的轉變。其他新興技術在某些關鍵方面都失敗了,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,同樣廉價且豐富。與鋰電池所用的材料不同,這兩種材料在北美的產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點,意味著它將能夠在鋰離子電池采用受到安全限制的市場。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供應鏈輕松構建。另一個好處是在制造工藝方面可以快速且低成本擴展。

此鋅非彼鋅,替代技術劍指特斯拉

Salient Energy首席技術官Brian Adams介紹說,其專利技術是利用鋅離子電池化學開發的,其中包括鋅陽極,pH中性硫酸鋅電解質和基于錳氧化物的陰極。水基電解液意味著電池不會著火,而鋅和錳這兩種原材料的稀缺程度遠低于鋰、鈷和鎳,而鋰、鈷和鎳都是標準鋰電池所需要的。

利用這一技術的模塊化電池提供了與鋰電池非常相似的性能,而一旦技術規模擴大,最終將可降低30-50%的存儲成本(LCOS)。因為與標準鋰電池提供的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和規模經濟,但特斯拉發現,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,對于下一波的成本降低是令人興奮的。”

Brown承認,鋅基電池已經存在了幾十年,但他說,該公司的鋅離子技術是第一個與鋰電池工作原理相同的技術——充電和放電時間為4小時,電池組大小相同。他說:“它的運作方式非常相似,重要的是,它的構建方式是一樣的。這就產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、安全和豐富的。從系統集成商的角度來看,當我們把它封裝在一個設備中時,它基本上與鋰電池沒有區別。它比較重,但對于我們所追求的市場來說,它占據了同樣的空間,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,為可再生能量儲存提供一個有吸引力的解決方案,特別是它的兼容性以及其他優勢。它和鋰電池一樣是通過插層來實現功能的。鋅離子通過水基電解液在兩個電極之間移動發生反應。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,鋅離子被電解質吸收到陰極中。這個過程在充電過程中是相反的。

據介紹,Salient的鋅離子電池擁有幾個競爭優勢:

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存足夠高的能量。

圖:獨特的插層化學為鋅電池樹立了新標準

鋅離子電池還可以改善鋰電池的制造工藝。鋰與水的強烈反應性要求其許多生產步驟必須在高度受控的大氣中進行,這使得鋰的生產過程更加昂貴和復雜。作為一種水基電池,鋅離子電池沒有這個限制。

鋅離子電池不需要形成循環。這意味著他們可以更快地從生產線轉移到客戶手中。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可以迅速而廉價地擴大規模。

全新的鋅電池解決了之前鋅電池面臨的三個關鍵問題: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或兩個參數上表現出色,但Salient鋅離子電池是唯一一種能夠同時提供這三個參數的技術。

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則改變者(GameChanger)計劃。這家總部位于新斯科舍省的公司已經有了建設試點工廠的資金,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格,Salient必須擴大技術規模,建立自己的巨型工廠,以實現所需的規模經濟,Brown希望在本世紀后半葉實現這一目標。

該公司今年將在新斯科舍省哈利法克斯開始建設一個試點制造工廠,于2022年投入運營。然后,它計劃吸引足夠的資本,在2024年底前建造“幾百兆瓦時的工廠”。

Brown說,他預計規模相對較小的第一家工廠生產的電池會比鋰電池貴50-100%,但在“注重安全的利基市場,我們可以收取額外費用”。

“一旦我們的這些模塊在現場運行,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,”他補充道。他希望最終在每個大洲都有一家大型工廠開業。

他也表示,如果出現不同機會,公司將考慮其他商業計劃。比如“如果我們有一個好的電池制造合作伙伴,它希望能獲得許可,并能加快我們技術的采用,我們會這么做。”

Brown說,他的工作重點是應對氣候變化,而不是賺錢,如果能夠讓鋅離子電池更快進入市場,他甚至會考慮出售公司。“比如松下真的很擅長制造電池。他們可能會縮短我們幾年的推廣時間,讓我們更快地開發產品。(如果松下愿意購買)當然我們會同意。我們需要的是技術。我們不必登上《財富》雜志的封面,”他表示。

干掉標準鋰電池,卻干不掉鋰電設備

雖然相對較新,但鋅離子電池已被證明可提供實質性的供應鏈改善和安全保障。將這些優勢與可擴展的制造工藝相結合,將確保鋅離子電池在清潔技術的未來發揮重要作用。隨著未來產量的增加和規模經濟優勢,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成本遠低于目前鋰電池的存儲成本。

雖然鋅離子電池有望成為固定式儲能的默認選擇,但對于中國為主的鋰電行業來說,并非都是壞消息。如Brown所說,鋅離子技術優勢還包括“我們可以從中國廉價買到所有的設備。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準的制造工藝,才能實現快速、低成本的規模擴張。

與此同時,中國的企業在把鋰電池銷售到世界各地之時,還需要未雨綢繆,探索用更少的鋰及其他稀有金屬來生產更高效的電池,才能與后來虎視眈眈的技術抗衡,讓自己不落下風。

消滅鋰離子是不是只是一個時間問題?行業必須考慮!
來源:探索科技TechSugar

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