25年前，鋰離子電池改變了世界，使手機(jī)和筆記本電腦等能源密集型便攜式電子產(chǎn)品成為可能。這種重量輕、能量密度高的鋰離子電池現(xiàn)在正準(zhǔn)備為交通運(yùn)輸?shù)碾姎饣峁﹦恿?。剛剛過去的一個(gè)月，數(shù)百名關(guān)鍵人物在佛羅里達(dá)州勞德代爾堡舉行的第36屆國際電池研討會和展覽會上會面。來自電池制造、采礦和材料、汽車生產(chǎn)、電動工具、家用設(shè)備、便攜式電子設(shè)備、電池分析儀器、市場戰(zhàn)略和咨詢以及大學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室的代表們齊聚一堂，分享最新進(jìn)展，并討論這項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的未來前景和挑戰(zhàn)。
大會探討的主要內(nèi)容
石墨作為商業(yè)鋰離子電池幾乎通用的負(fù)極材料，已經(jīng)被大學(xué)和工業(yè)實(shí)驗(yàn)室的數(shù)百個(gè)研究小組進(jìn)行了深入的研究。盡管如此，通用汽車化學(xué)及材料實(shí)驗(yàn)室總監(jiān)Mark Verbrugge和他的同事提出了證明，顯示鋰插入石墨的容量－電壓曲線中有幾個(gè)被忽視的特征。電池研究的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)做法是通過分析容量－電壓曲線的導(dǎo)數(shù)來確定反應(yīng)發(fā)生的次數(shù)，但是噪聲或過平滑的數(shù)據(jù)可以隱藏特征。通用汽車團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種自適應(yīng)寬度數(shù)值平滑方法，揭示了石墨的附加特性，并可應(yīng)用于其他電池系統(tǒng)。
開發(fā)下一代電池材料的研究人員面臨的一個(gè)問題是了解不同原始設(shè)備制造商（OEMs）的具體要求。在便攜式技術(shù)、電動汽車和電網(wǎng)規(guī)模的儲能之間，能量－功率－重量－體積－成本的平衡可能會有很大差異。福特的Bob Taenaka直言，體積性能指標(biāo)（Wh×L－1， W×L－1）是電動汽車的關(guān)鍵。來自SharkNinja（美國清潔和廚房小家電公司）的李佳英（Chia－Ying Lee）也對機(jī)器人和手持吸塵器等家用電子產(chǎn)品表達(dá)了同樣的看法。汽車客車工業(yè)公司（Motor Coach Industries）的Michael McDonald指出，電動巴士的可用空間更大，他建議，電動巴士的應(yīng)用需要在大小和重量之間取得平衡。另一方面，公交巴士需要最小的行駛距離，這可以通過再生制動、公交車站快速充電和電池壽命將性能重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到效率上。
在美國，鈷酸鋰曾經(jīng)一直是鋰離子電池的主要正極材料?，F(xiàn)在在電動汽車領(lǐng)域，我們看到了鋰電池向含鎳的化學(xué)物質(zhì)的轉(zhuǎn)變，例如大多數(shù)原始設(shè)備制造商（OEMs）生產(chǎn)的鎳鈷錳酸鋰含60－80％的鎳（稱為NMC622、NMC811），以及特斯拉生產(chǎn)的鎳鈷鋁酸鋰含約80％的鎳 （稱為NCA）。鈷價(jià)格昂貴，而且地理位置集中在剛果，因此降低鈷的含量是一個(gè)好的舉措。然而，向含鎳材料的過渡和電動汽車產(chǎn)量的快速增長同樣給鎳供應(yīng)鏈帶來了壓力。
關(guān)于未來原料供應(yīng)的觀點(diǎn)
羅蘭貝格管理咨詢有限公司的Franz Josef Kruger樂觀地認(rèn)為，NMC811的問題已經(jīng)得到解決，到2020年將實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。他注重向富含鎳的材料的轉(zhuǎn)變，并且描述了鎳供應(yīng)跟不上需求增長的情景，表示這將使其成為成本上升的驅(qū)動因素，預(yù)測鎳短缺最早將在2020年至2021年實(shí)現(xiàn)。從他的角度來看，建立供應(yīng)鏈伙伴關(guān)系是至關(guān)重要的，這便于在高能量電池市場上占據(jù)良好的位置。
避免鎳（或鈷）供應(yīng)問題的另一種方法是使用基于鐵或錳的正極材料。法國Bollore集團(tuán)的Didier Marginedes描述了他們的鎳鋰金屬聚合物電池、磷酸錳鋰電池（LMP）被用于電動巴士、固定模塊等場景。XALT能源公司的Vaselin Manev提出了一種錳酸鋰（LMO）正極與鈦酸鋰（LTO）負(fù)極相結(jié)合的例子，即使在充電數(shù)十分鐘的相對快速的條件下，這種陰極也可以循環(huán)超過10000次，且保持90％以上的容量。
在低能量密度的電池中可以進(jìn)行成千上萬次的循環(huán)，但是最先進(jìn)的高能量密度電池的極限是什么？來自達(dá)爾豪西大學(xué)的發(fā)言人杰夫·達(dá)恩表示：即使在循環(huán)至相對較高的電壓以提取最多能量的情況下，最好的人造石墨負(fù)極和NMC正極也能以至少80％的容量保持5000次以上的循環(huán)。這些數(shù)字意味著，未來一輛電動汽車的電池總共可以行駛50萬英里，甚至100萬英里！雖然目前來看私人汽車不會達(dá)到這些里程，但汽車共享計(jì)劃和自動駕駛汽車將意味著汽車停留充電的時(shí)間減少，而在路上的時(shí)間將增加，或許所有的這些都要靠性能卓越的電池組來完成。