十年后，电池资料的出路是什么?
电动轿车需求动力来历,动力蓄电池的比能量、寿数、安全性和价格，对纯电动轿车的开展至关重要，而锂离子电池具有比能量高、自放电低、寿数长等长处，是现在最具实用价值的电动轿车电池。经过20多年来的科技进步，LIBs的功能得到巨大提高。锂电池包中比能量密度添加了近3倍，从不到200Wh/L添加到超越700Wh/L。出产本钱是本来的3%左右，现在可操控出产本钱低于150$/kWh。但这依然高于美国能源部计划的100$/kWh的方针。当时功率在50-100KW.h的动力电池分量约为600公斤，体积也要在500L左右。
因为现在的锂电池的能量密度现已挨近理论最大值，LIBs的能量密度提高正逐渐变缓。电池商场的快速添加，使LIBs降价更显得遥不行及。相反的是，在曩昔的两年里，锂电池产值的激增简直使钴的价格简直翻了两番，从每千克22美元生到81美元。商场需求的增大和价格的快速上涨现已鼓舞一些出产商偷工减料，违背环境和安全法规。例如，在我国，石墨矿开释的粉尘现已损坏了农作物、污染了村庄和饮用水。而在非洲，一些矿主克扣童工，在短少防毒面具等防护设备，手艺挖掘矿石的小型矿山，一般这么做冒犯法令。包括宝马在内的一些公司都拟定严厉的方针来催促其钴供货商，而其它一些电动车出产厂家并不这样做。
这一切最简略的解决办法便是开发廉价的常用金属如铁和铜的代替类型的电极。在美国亚特兰大佐治亚理工学院Gleb Yushin教授及其搭档看来，最有期望的“代替电极资料”（Conversion-type cathode materials），如铜或铁的氟化物或许硅。它们经过化学方法贮存锂，但这项技能仍处于前期阶段。要实践运用有必要战胜稳定性、充电速度和制作方面的问题。Gleb Yushin教授呼吁资料科学家、工程师和赞助组织优先研讨和开发根据丰厚元素的电极。不然，电动轿车的推行将在十年内遭受重创。
图1. 低浓度矿石和出产本钱价格联系。
镍和钴稀缺且贵重
当时电动轿车的商用电池中，锂离子被捆绑在组成电极的晶体中的细小空地中（这些被称为插层电极）。负极一般由石墨制成，正极则由金属氧化物构成。
常见的三元正极资料包括镍钴铝氧化物（NCA，例如LiNi0.8Co0.15Al0.05O2）或镍钴锰氧化物（NCM，例如LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2或LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2）。100kg的锂离子动力电池正极资料一般需求6~12kg的钴和36~48kg的镍。而钴一般是铜和镍挖掘的副产品，也需求杂乱的工艺与其它金属别离，大多数矿床仅含有0.003%的钴金属，很少有钴矿产会集到值得挖掘的程度。所以虽然地球上存储的1015吨钴中，只要107吨能够运用。相同，全球1015吨镍储量中也只要108吨具有商业挖掘价值。
现在只要少量当地发现了富钴矿藏。非洲刚果（DRC）供给了2015年全球14.8万吨钴中的一半（56%）。其间大部分流向我国，我国具有20万至40万吨的钴的库存。澳大利亚具有全球14%的钴储量，现已能够从深海海底挖掘出来，但在这样的挖掘本钱、生态和经济都太高，尚不能充沛开发运用。
相同，镍的出产也由十几个国家主导。2017年，印度尼西亚、菲律宾、加拿大、新喀里多尼亚、俄罗斯和澳大利亚一起供给了全球210万吨矿石中的72%。但其间不到十分之一用于锂电池；其他的首要用于钢铁和电子产品。虽然镍的提取本钱低于钴，但2015年以来，需求的添加已将镍价格从每公斤9美元提高到14美元，涨幅约为50%。钴和镍都阅历了忽然的价格上涨和溃散。例如，澳大利亚供给中止，我国对钢铁的需求添加，对冲基金司理的投机行为导致镍价格上涨5倍，而在2008-2009年钴价格上涨3倍。
钴和镍估量将会呈现缺少
假如照此开展下去，钴和镍将在20年内呈现供给缺口。跟着LIBs的需求量持续添加，估量到2030年钴会求过于供，镍或许会在2037年曾经断货。虽然咱们能够挖掘质量较差的矿石，但更高的加工本钱会推高钴镍价格。
电动厂家和政府估量到2025年，每年将会出产1000万-2000万辆电动轿车。假如每辆轿车的电池需求10kg的钴，到2025年，仅电动轿车每年需求10-20万吨的钴，这是现在世界上大部分产值。相同地，每年需求40-80万吨镍，相当于今日一切金属的20-40%。当货车、公共轿车、飞机和船只运用动力电池时，还需求更多的电池。到2050年，每年出产5000万到8000万辆电动轿车需求50-80万吨钴。2030年今后，这将远远超越现在的采矿才能。相同，到2050年，镍的需求量将添加2-3倍。到2030年中期，镍的缺少将是清楚明了的，循环运用也无法弥补供给。因为锂离子电池的寿数为15-20年，是铅酸电池的5-7年的3倍。一旦供给量到达峰值，咱们估量电动轿车电池的价格或许会上涨1000美元以上。
图2.由代替资料电极的电池在单位堆叠体积中可比传统电池存储更多的能量。
未来电池资料的出路几许？
答案是用惯例金属（铁、铜）来出产锂离子电池正极资料。例如铁不只价格低廉（低至6美分/kg）并且储量丰厚（760亿吨）。因为传统的富铁资料（LiFePO4）和富锰资料（LiMnO2或LiMn2O4）在运用中都有各式各样的缺陷，因而最有期望的代替计划是在电极中运用“替换正极资料”。铜/铁氟化物和硅可与锂离子化学反响来完成锂的存储，能够包容比规范正极多六倍的能量。
转化型正极资料的机理：它的电化学转化反响是一种不同于传统的锂离子嵌入/脱出反响的新式储锂机制。反响进程中有多个电子搬运，因而根据电化学转化反响机理的电极资料都具有十分高的理论比容量。这类电极资料首要由过渡金属的氧化物、硫化物或许氟化物等几品种型,其间过渡金属氟化物因为其较强的离子键而具有较高的作业电位,比较合适做锂离子电池的正极资料。其间硅基资料十分合适与之调配。
一旦这两种资料的成功运用，为电动轿车供给动力的电池能够削减一半，一起本钱，分量和体积将削减一半乃至更多。但要完成这一方针，电池研讨者们需求研制高功能氟化物资料和更有用的电解质。工程师需求尽力开发运用这些资料的设备和工艺。除此之外，转化型资料制备的电池还有一些缺陷，例如电导率低，倍率功能欠安；转化资料与电解液的副反响严峻；正、负极SEI膜构成较厚，有电压滞后现象；电极充电后胀大缩短比较严峻。
先谋后动
替换型资料简介
与嵌入型资料电极比较，充放电进程中转化型资料和Li结合前后会产生断键和成键。Li从而进入FeF2后，Fe-F键开裂后，Li与F重现键合生成LiF（Type A）。[2]
图3. Li进入资料S和FeF2的不同机理示意图。
图4. 绿色标明元素用在嵌入型资猜中；蓝色标明元素用在替换资猜中；橘黄色标明资料能够在二者中都用。每一种元素内所包括信息是图内示例所示：第1行代表元素品种，第2行代表元素在地壳中的丰厚程度，第3行代表该金属或许元素在曩昔五年平均价格，第4和第5行别离代表该元素对环境和人类的影响。
图5. 嵌入型资料系统和替换型资料电池系统的能量密度比对
