无钴电池能否成为新能源霸主?

2020-09-12 14:03:42 电脑报 2020年34期

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“出不了远门”。生活中,电动汽车的续航问题时常困扰用户。其实,科学家一直致力于提升电池“电力”,从铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池,再到锂离子电池,通过理论突破、材料创新,电池的能量密度一直不断提高。

锂离子电池是一个电化学神童,无论是电话和笔记本电脑这样的普通小工具,还是火星上的探测器等极端应用,我们都可以使用它。锂离子电池对现代生活非常重要,在此过程中,电池行业发展对钴越来越依赖,但随着供应量的增加,出于成本和环保的需求,无钴电池的呼声越来越高。

比如新能源汽车巨头特斯拉,其合作的是松下NCA(镍钴铝)模式的三元锂电池,特斯拉前不久合作的LG化学,其主营业务也是三元锂电池,并主推NCM811高镍三元锂电池技术路线。特斯拉创始人马斯克一直致力于减少钴的用量,高镍电池的钴元素用量为3%左右,他希望下一代车型中,在原料清单中将钴元素彻底除掉。

为何要去除钴元素

钴是一种稀有、有毒和有光泽的矿物质,存在于当今几乎所有使用的锂离子电池的带负电的电极(或阴极)中。它昂贵、沉重,疯狂的价格波动与脆弱的全球供应链相关。这种材料在稳定电池和提高其能量密度方面起着至关重要的作用。尽管存在实验性的无钴电池,但直到现在,它们都存在主要的性能问题,例如寿命有限和充电速度较慢。

这些粉末样品将被制成无钴阴极

钴可占锂离子阴极材料的五分之一,通常具有以下两种原料之一:NMC(镍锰钴氧化物)或NCA(镍钴铝氧化物),这些电池中的钴具有稳定作用,并防止可能导致电池着火的阴极腐蚀。它也可以提高电池的充电率,但是原材料非常昂贵并且很难获得。

它还有一些社会问题,世界上近三分之二的钴是在刚果民主共和国开采的,是大规模镍和铜开采的副产品,这些独立矿工在没有任何监督的情况下运作,导致了一些安全性问题。

7月份,得克萨斯大学(University of Texas)的三位研究人员组成的小组报告了使用完全消除钴的新型阴极化学物质进行测试的结果,他们在一个小型的实验性锂离子袋式电池中使用了富含镍的阴极,其大小约为一副纸牌。尽管该电池的能量密度比典型的鈷电池略低,但它能够以更高的电压和相似的充电速率工作。即使经过1000次完整的充放电循环(这是商用电池的典型寿命),实验电池的性能仍可与具有钴阴极的电池媲美。

研究人员开发出的阴极通过增加镍含量来减少钴,他们的电池结合了NMC和NCA阴极的成分,创建了无钴NMA(镍锰铝氧化物)阴极。尽管该团队并不是第一个开发无钴或高镍阴极的团队,但研究人员说,这是第一个没有主要性能缺陷(如电池寿命短和能量密度低)的团队。

无钴电池的商业化之路

世界银行最近的一份报告预测,在未来的几十年中,钴的产量将增加500%,才能满足对锂离子电池不断增长的需求,单靠刚果民主共和国将无法独自满足这一需求。全球范围内有多家钴矿勘探企业正在进行中,深海采矿仍是一个有争议的问题,即便是在海底发现了最大的钴矿床,无钴阴极依然比锂离子电池更具价格优势,更环保,值得推广。

密歇根大学电池实验室的技术主管格雷格·莱瑟表示,还需要做更多的测试来解决其他类似的阴极化学所遇到的问题,例如锰在高温下熔解的趋势,但是电池的初始测试结果令人鼓舞。

为了实现这一目标,曼西拉姆和他的团队使用了专门的技术在纳米级上混合成分,这涉及将包含镍、锰和铝离子的溶液泵入反应器,在反应器中将其与另一种与金属离子结合的溶液混合。结果是金属氢氧化物的精细混合粉末,将其与氢氧化锂一起烘焙以产生用于阴极的材料。在整个过程中,必须精确控制泵速和温度,以确保所得阴极材料具有正确的结构和组成。

将这些元素混合在一起后,再将阴极放入带有常规石墨阳极的实验性锂离子袋式电池中。在测试过程中,他们发现其性能与市售的带有钴阴极的锂离子电池,在不同的充电速率和数百次充电循环中的性能相匹配。不过无钴阴极的能量密度略低,这意味着它可以存储的锂离子更少,但研究人员认为,可以通过进一步改善其化学性质来弥补这一差距。

将无钴阴极技术商业化,与现有电池制造工艺集成,例如消费类电子产品、电动汽车和电网储能,在几年内投放市场,是这些研究实验室的目标,一家名为Sparkz的初创公司最近获得了能源部国家实验室的无钴阴极技术的商业许可。

代表生产商的非营利性贸易组织钴学会的前任主席兼现任顾问戴维·怀特表示,锂离子电池带来了稳定性和性能优势,制造它们的公司花费了数年和数十亿美元来完善其阴极化学性能,这意味着任何新玩家都必须克服很多行业惯性。怀特说:“在不需要钴的化学系统成为商业现实之前,我们在未来还有很长的路要走。”

与苹果较劲需要耐心

更深刻的冲突是控制:谁负责管理虚构宇宙中的众多APP跟游戏?假如《堡垒之夜》中有一天出现了付费音乐服务——类似 Spotify,苹果也可以抽成吗?假如出现恶意的内容,苹果需要负责吗?不只Epic Games想做虚构宇宙,所有的游戏串流服务,如微软的xCloud 与Google的 Stadia,也都往此目标迈进。因此也相继被苹果拦下,禁止上架。

苹果的声明是:我们的顾客享受数百万开发者所提供的优良APP 与游戏,而游戏当然可以存在 APP Store里,只要它们遵从所有开发者都适用的规范,包括单独提供游戏以供审查,以及出现在游戏搜索与排行榜上。xCloud(与 Stadia)中有许多游戏,不愿意一一送交苹果审查,苹果为了管控安全就禁止上架。

但《堡垒之夜》、xCloud 与 Stadia 仰赖云,配置相对不重要。游戏的乐趣也更多来自玩家之间(跨配置)的互动,而不是配置的效能。从 Epic 的角度看,配置只是游戏的入口,不是游戏的基础。既然要抢主导权,Epic 现在较劲比较好,过去 Epic 也曾经说服索尼开放《堡垒之夜》跨平台。趁现在手机用户仅占Epic不到20%的营收,讲话还可以大声点。

但苹果也不打算退让,因为手机是苹果的生计来源,而垂直整合是乔布斯生前的核心思维。过去苹果曾面对相似处境,比如率先停止支援 Flash,引发 Adobe 的不满,而当时Flash 也是一个跨平台的软件环境。苹果不会让出平台的位置,也不会让第三方站在苹果与开发者之间,可以预测未来苹果会自主开发虚构宇宙或串流游戏平台,进一步垂直整合。Epic 面对这样一个强大敌人,要有足够的耐心和实力。