电动汽车成为交通运输行业减少碳排放量的主流解决方案

咨询机构Bax＆Company公司顾问兼材料专家Marcos Ierides表示，尽管锂离子电池的性能如今已得到极大提高，但在降低成本、可持续性放电以及最大限度地减少碳排放方面仍有改进的余地。

在全球人口增长以及经济增长的推动下，能源需求一直在迅速增长，而这种增长对环境保护和社会福祉带来的不利影响变得越来越明显，这也加大了交通运输和电力行业（环境污染最严重的行业）减少碳排放量的需求。

电动汽车如今已经成为交通运输行业减少碳排放量的主流解决方案，在过去两年中，电动汽车的销量增长了60％。与此同时，风力发电和太阳能发电正在电力行业加快发展步伐，如今全球四分之一的电力来自可再生能源。

为了使这些可再生能源解决方案发挥其全部潜力，需要与高效的储能技术相结合。由于行业厂商在研发和生产方面投入了大量资金，锂离子电池的性能已经显著提高。自从2008年以来，锂离子电池的能源密度提高了两倍，而成本却降低了近85％。尽管如此，仍需要进一步的研究来降低锂离子电池平准化能源成本（LCOE），并确保电池的生产和使用不会对环境产生负面影响。

1.开发电池电极稀缺材料的替代品，提高能源密度，减少对环境和社会的影响

如今的电池材料包括稀土元素（REE）、关键原材料（CRM）和其他关键材料。而最关键的材料是钴（Co）、镍（Ni）、锰（Mn）和锂（Li），因为它们保持锂离子电池电化学性能中至关重要。

欧盟联合研究中心估计，从2015年到2030年，对这些材料的需求将增长2500%，从而造成稀缺问题。生产锂离子电池也面临大多数电池材料在全球各地分布不均的事实。而根据欧盟委员会的调查，全球电池产品所采用的镍和锂的三分之一产量来自中国和智利，而钴的三分之二产品自刚果民主共和国。这就带来巨大的供应链风险，并导致了短期和长期价格巨大的波动。除此之外，钴材料的来源对环境保护和社会的影响也令人质疑，因为刚果民主共和国采矿工作环境恶劣，具有违反人权的行为。

全球各地正在进行的技术研究与创新努力都致力于解决锂离子电池面临的这些问题。国际能源署表示，电池中的镍-锰-钴（NMC）阴极（最成熟的阴极化学物质之一）中的钴含量已经从NMC111的约0.4kg/kWh降低到NMC811的0.03kg/kWh。

除了解决电池原材料问题之外，这些改进还着眼于提高性能；在同等的容量下，NMC811阴极的比能量与NMC111相比高出25%。还有一些技术完全消除了钴的使用。欧盟资助的合作研发项目COBRA（用于未来汽车应用的无钴电池）正在研究不含钴的锂离子锰氧化物（LMO）电池阴极。为了提高性能，还有一些研究机构正在开发富含锂的氧化物掺杂正极材料。

2.实施自我修复机制以延长电池寿命

允许电池存储并按需提供电能的电化学现象也是造成电池性能随着时间的推移而降低退化机制的原因。一个例子就是固体电解质膜（SEI）的形成，尽管固体电解质膜对于电池的性能至关重要，但最终会导致更低的容量和功率密度。

解决这些问题的方法是从可以治愈伤口并恢复受损部位功能得以生存的生物体中获得灵感。它可以大致分为预防性（意味着预防或减缓降解机制）或主动性（意味着在损害发生后逆转）自我修复机制。这个方法使用自我修复的聚合物，该聚合物通过可逆的化学键或特定的超分子相互作用（例如氢键）重建断裂的界面来修复损伤。这些材料既可以在制造过程中直接添加到电池组件中，也可以添加到电池的电解质中，在满足条件时自动释放，或者通过外部刺激按需释放。

尽管该领域正在逐渐受到关注，但正在进行的研究仍处于起步阶段。欧洲电池领域强调自我修复是未来电池技术研究的关键领域之一，并将其纳入其“2030+电池”合作计划中，这个计划旨在使欧洲在发展电池技术的未来竞争中处于领先地位。

3.开发更高效的生产线以降低成本

调研机构彭博社新能源财公司最近发布的一份调查报告表明，尽管锂离子电池成本正在迅速下降，但其平准化能源成本（LCOE）仍比风力发电和太阳能发电的成本高2至4倍。这部分成本主要来自电池零部件生产和高能耗制造工艺。用于生产电极的煅烧和共沉淀过程特别耗能，因为需要将窑炉加热到超过1000℃的温度。除了需要大量的能量来达到这样的温度外，窑炉通常会全天候运转（从“冷启动”达到这样的高温需要大量时间），这进一步增加了制造工厂的能耗。

解决这一问题的简单办法是使用可再生能源的电力，而可再生能源发电成本正变得越来越低。除了降低成本外，还将减少温室气体排放量。

其他方法则寻求开发更具创新性的解决方案，例如开发用于生产电极的水基工艺。这与水溶性粘合剂的水性配方的发展是密不可分的。

结论

电池技术的这些技术进步是确保电池储能系统可持续性和商业可行性的关键因素。为了加快电池储能系统的部署，同时又不对社会或环境造成不利影响，还需要进行更多的技术、社会和政策方面的创新。
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