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擴大鋰離子電池的規(guī)模所面臨的挑戰(zhàn)
實驗室規(guī)模的材料開發(fā)和工程改進可能是將新技術(shù)推向市場的主要障礙。雖然諸如將材料生產(chǎn)從克級擴展到噸級的挑戰(zhàn)已被充分理解，但其他問題往往被忽視，如復(fù)雜的價值鏈，需要幾十個供應(yīng)商來采購所有的材料和部件（見圖7，頂部）。建設(shè)一個制造工廠，從資本支出（CapEx）到SOP（圖7，下），可能需要幾年的時間來調(diào)試，而所需時間取決于所生產(chǎn)的產(chǎn)品。一個生產(chǎn)層狀氧化物正極活性材料的化工廠將與生產(chǎn)電池片的工廠截然不同，后者需要精密的制造和高度的自動化才能具有成本競爭力。在這里，我們用一系列的例子來說明供應(yīng)鏈的考慮和不良的成本假設(shè)是如何使技術(shù)發(fā)展脫軌的。
供應(yīng)鏈
轉(zhuǎn)向高錳含量的正極化學(xué)材料可能提供了一條平衡電池制造成本和性能指標(biāo)的途徑，如比能量。許多成熟的制造商和新成立的公司都在追求這些材料，例如，Haldor Tops?e和Nano One Materials（就LNMO而言），BASF（就NMC 370而言），SVOLT（就NMx而言），以及HCM163、SAFT和CATL（就LMFP或LxFP而言）（有許多不同的取代物，如CATL的 "M3P "）。這些公司正在推進大規(guī)模生產(chǎn)，并聲稱要實現(xiàn)高性能的正極材料。然而，目前的電池級錳的供應(yīng)鏈不足以支持這些技術(shù)在今天的廣泛采用。事實上，目前對硫酸錳供應(yīng)的預(yù)測顯示，如果化工企業(yè)不投資增加產(chǎn)能，最早在2025年就會供不應(yīng)求（見補充圖3）。為了防止硫酸錳的供應(yīng)成為瓶頸，計劃使用這些正極材料的公司將需要與化學(xué)品供應(yīng)商緊密合作，以確保生產(chǎn)能力按照他們的要求提升。這些問題不僅是材料生產(chǎn)商的問題，也可能會破壞最終用戶的計劃，如挪威電池制造商Morrow（他們與Haldor Tops?e合作生產(chǎn)LNMO電池）和大眾汽車等公司，他們表示富錳化學(xué)是其未來計劃的關(guān)鍵部分。
使用無機固態(tài)電解質(zhì)的電池面臨類似的供應(yīng)鏈限制。對于使用硫化物電解質(zhì)的電池（例如Li3PS4 ），沒有現(xiàn)有的供應(yīng)鏈來提供所需的硫化鋰材料。這意味著公司必須在開發(fā)其供應(yīng)鏈的同時，也要將電池本身商業(yè)化。氧化物基固態(tài)電解質(zhì)（如Li7La3Zr2O12 ，LLZO）的供應(yīng)鏈也面臨類似的困難。據(jù)估計，用于LLZO的鑭，在2019年的年產(chǎn)量約為50,000噸。我們估計，使用20μm厚的LLZO電解質(zhì)和80μm厚的NMC811正極的1 GWh電池將需要大約255噸鑭。因此，目前的鑭生產(chǎn)可以支持大約200GWh的全固態(tài)電池生產(chǎn)。
無機固態(tài)電解質(zhì)的使用越來越多，預(yù)鋰化技術(shù)和金屬鋰負極的應(yīng)用有望大幅增加鋰的需求。如果不能正確理解需求增長的速度，并在整個價值鏈的公司之間進行合作，這可能導(dǎo)致進一步的材料瓶頸。預(yù)測未來對鋰和其他電池原材料的需求已經(jīng)很困難，因為對乘用電動車銷售及其相關(guān)的鋰離子電池需求的預(yù)測差異很大。BloombergNEF在其2021年電動汽車展望中預(yù)測，到2030年，每年約有3200萬輛乘用電池電動汽車和插電式混合動力汽車銷售。相比之下，國際能源署（IEA）在同一年對電動車銷售做出了一些預(yù)測。他們最保守的預(yù)測是到2030年電動車銷量超過3000萬輛，但預(yù)計在2030年需要超過6500萬輛電動車銷量才能滿足2050年凈零排放方案的要求。這種不確定性本身就給擴大規(guī)模帶來了困難。然而，材料供應(yīng)商可以通過與客戶的密切合作，在一定程度上消除風(fēng)險。
成本預(yù)測
在開發(fā)新技術(shù)時，學(xué)術(shù)研究人員或初創(chuàng)公司需要預(yù)測新系統(tǒng)與現(xiàn)有技術(shù)相比的成本，以證明商業(yè)化的合理性，贏得資金并進行開發(fā)。這方面需要對現(xiàn)有的制造工藝和供應(yīng)鏈進行多種假設(shè)，以及它們在未來將如何變化。對于學(xué)術(shù)研究人員和新成立的公司來說，要準確表述這些成本是什么以及它們將如何變化是很困難的。然而，有一些公開可用的工具，如BatPac6，可能會有幫助。如果使用的假設(shè)不能反映行業(yè)的情況，那么成本預(yù)測可能會導(dǎo)致對最終產(chǎn)品競爭力的不切實際的期望。這反過來又會損害初創(chuàng)企業(yè)的商業(yè)案例，或?qū)е沦Y金被分配到學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域，而這些研究不太可能帶來有利于行業(yè)的技術(shù)改進或帶來技術(shù)進步。
準確預(yù)測生產(chǎn)時間尺度方面的困難也會損害新技術(shù)的擴大規(guī)模機會。過于激進的引進新技術(shù)的時間表可以使投資對天真的投資者具有吸引力，但最終可能會導(dǎo)致最終產(chǎn)品比現(xiàn)有技術(shù)更昂貴。例如，一個新的電池設(shè)計可能被商業(yè)化，其基礎(chǔ)是在生產(chǎn)時，它將比現(xiàn)有技術(shù)更便宜。然而，生產(chǎn)的延遲可能意味著對現(xiàn)有電池設(shè)計的逐步改進導(dǎo)致現(xiàn)有設(shè)計的制造成本低于新設(shè)計的預(yù)測制造成本。雖然經(jīng)驗豐富的投資者可能比尋求融資的公司更加謹慎，但技術(shù)開發(fā)者應(yīng)該對可實現(xiàn)的目標(biāo)持現(xiàn)實態(tài)度。過度的承諾和不足將對整個行業(yè)造成更大的傷害。
制造工藝和系統(tǒng)設(shè)計
我們主要討論了將新材料引入電池行業(yè)的優(yōu)勢和劣勢。然而，引入新的制造工藝和技術(shù)以及電極和電池設(shè)計也同樣困難。在制造領(lǐng)域，各公司都在探索新的工藝，如預(yù)鋰化、干式電極涂層和改進的質(zhì)量控制流程。然而，說服電池制造商采用這些技術(shù)是具有挑戰(zhàn)性的，這些技術(shù)在最初引入時，可能會降低產(chǎn)量并增加資本支出。這通常會導(dǎo)致更高的電池制造成本。盡管有這些挑戰(zhàn)，一些公司正在嘗試將這些技術(shù)商業(yè)化
突出的例子包括24M的 "SemiSolid "電池設(shè)計，挪威電池制造商Freyr正在采用，以及其他。雖然24M的技術(shù)正在被商業(yè)化采用，但值得注意的是，一個主要的電池制造商并沒有授權(quán)該技術(shù)，而是由一家電池制造的新公司進行商業(yè)化，這就帶來了風(fēng)險，在一定程度上降低了商業(yè)部署的可能性。在某些方面，這應(yīng)該是對制造業(yè)的大規(guī)模變革的預(yù)期，因為成熟的公司通常比小型初創(chuàng)公司更善于規(guī)避風(fēng)險。跨越現(xiàn)有公司并獲得市場份額的承諾，往往足以成為新創(chuàng)公司承擔(dān)這種技術(shù)風(fēng)險的理由。
EnPower和Addionics等初創(chuàng)公司也在擴大其專利電極設(shè)計的規(guī)模和商業(yè)化過程中。這些公司聲稱他們的產(chǎn)品將能夠同時開發(fā)出高功率和能源設(shè)備。然而，Addionics公司尚未開始大規(guī)模試生產(chǎn)（>100兆瓦時），而EnPower公司不得不在內(nèi)部擴大試生產(chǎn)規(guī)模，以提供客戶資格認證所需的電池數(shù)量，這需要公司大量的資本支出投資。
最后，ProLogium和豐田等公司正在積極研究和擴大系列或雙極堆疊的規(guī)模。優(yōu)勢包括更好的熱和電性能，以及減少PACK，但代價是更復(fù)雜的制造工藝和系統(tǒng)設(shè)計。
近年來，商業(yè)上采用的最大的系統(tǒng)設(shè)計是所謂的 "電池到電池組 "設(shè)計，如比亞迪的葉片電池。這些系統(tǒng)已被迅速采用，因為它們提高了性能，但沒有從根本上改變電池的化學(xué)成分，也不需要徹底的新制造工藝。
汽車工業(yè)中的零部件資格認證
即使有一個成熟的價值鏈，向汽車行業(yè)供應(yīng)零部件也不是件容易的事，而且這個過程可能很耗時。希望與汽車行業(yè)打交道的供應(yīng)商必須經(jīng)過一個標(biāo)準化的、嚴格的資格認證過程，這是在國際層面上的規(guī)定（例如，見國際汽車任務(wù)組，IATF）。最常見的汽車零件鑒定標(biāo)準是德國汽車工業(yè)聯(lián)合會（VDA）的生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品批準（PPA）和汽車工業(yè)行動小組（AIAG）的生產(chǎn)零件批準程序（PPAP）。
文獻中討論了為汽車工業(yè)服務(wù)的一些考慮因素，政府和汽車標(biāo)準機構(gòu)提供了指導(dǎo)方針。例如，讓我們考慮向一個汽車OEM提供鋰離子電池單元，以整合到電池組中。在這種情況下，電池片供應(yīng)商，如三星SDI、CATL和LG能源解決方案，被期望可靠地提供安全、高質(zhì)量的零件，并將廢品率降到最低，即在提供給汽車客戶的一批電池中，可能有少于10個電池片的缺陷（10ppm）。部件需要使用強大的流程進行嚴格的測試。
根據(jù)VDA指南，新電池的鑒定將從A-樣品開始，即TRL 5的原型電池。A-樣品電池不需要系列化生產(chǎn)，但它必須安全、實用，并且在性能和幾何形狀方面接近最終設(shè)計：電池的足跡和尺寸是固定的。這種原型可以在壽命和性能上做出妥協(xié)，但應(yīng)該滿足大部分的要求，從而獲得B級樣品的資格，在B級樣品中電池的設(shè)計是不可改變的。過了B-sample階段，重點是制造。大量的試驗?zāi)K/包被組裝起來，電池被批量生產(chǎn)，這就構(gòu)成了C-樣品階段（TRL 6）。最后，在D-樣品階段，電池片被大規(guī)模生產(chǎn)，準備進行商業(yè)實施，并準備通過汽車部件批準，例如，經(jīng)過生產(chǎn)部件批準（PPA），達到TRL 7。
測試要求可以增加十倍，從A類樣品的數(shù)百個單元到C類樣品的數(shù)萬個樣品。所需的測試類型包括性能和安全，后者是任何階段的嚴格要求。測試在標(biāo)準、指南和法規(guī)中也有嚴格的規(guī)定（如國際電工委員會，IEC 62660，由聯(lián)合國，UN38.3，UN ECE R100）或常規(guī)測試（如美國先進電池聯(lián)盟有限責(zé)任公司，USABC）。必須了解的是，大多數(shù)行為者，不管是學(xué)術(shù)界還是工業(yè)界，特別是在初始階段（通常涉及初創(chuàng)公司），缺乏資源來準確進行這些測試或進入汽車領(lǐng)域的供應(yīng)商資格認證步驟。缺乏適當(dāng)?shù)倪^程控制也會導(dǎo)致制造缺陷，有可能導(dǎo)致昂貴的產(chǎn)品召回。
總結(jié)和建議
鋰電池成本和性能的顯著改善，既要歸功于電池、系統(tǒng)和供應(yīng)鏈層面的創(chuàng)新，也要歸功于材料開發(fā)。電池開發(fā)是一個具有復(fù)雜價值鏈的跨學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域。為了使學(xué)術(shù)研究為這些部門提供最大的利益，需要有跨學(xué)科的合作，由產(chǎn)業(yè)界積極向?qū)W術(shù)界提出具體的最終客戶要求。例如，可以通過支持工業(yè)界的研究人員與學(xué)術(shù)界共享職位，鼓勵工業(yè)界的研究人員發(fā)表更多的同行評議的論文，以及增加學(xué)術(shù)界在工業(yè)界會議上的代表（反之亦然）來促進這種合作。
衡量標(biāo)準很重要，但哪些衡量標(biāo)準是重要的，以及它們?nèi)绾螐睦碚撧D(zhuǎn)化為系統(tǒng)是取決于具體情況的。對大局的清晰考慮對有效的應(yīng)用研究至關(guān)重要。我們已經(jīng)證明了像NCA這樣的正極活性材料的高理論能量密度/比能量并不一定能在電池組層面上轉(zhuǎn)化為更高的性能。在擴展一種材料時，需要考慮許多關(guān)鍵績效指標(biāo)，因為一種具有高能量和低循環(huán)壽命的電池，其應(yīng)用可能是有限的。所有的關(guān)鍵績效指標(biāo)都需要對處于高TRL的設(shè)備進行評估，而制造本身可能是最大的挑戰(zhàn)，特別是當(dāng)創(chuàng)新技術(shù)不是 "滴入式 "時。在電池開發(fā)商QuantumScape最近的收益電話會議上，當(dāng)被問及該公司是否需要制造完全均勻和完全無缺陷的基于固體電解質(zhì)的隔膜以使其電池工作時，首席執(zhí)行官Jagdeep Singh暗示了這些挑戰(zhàn)，他回答說："關(guān)鍵是知道哪些缺陷重要，哪些缺陷不重要，并關(guān)注前者 "。
在TRL范圍內(nèi)向上移動是一項越來越昂貴和復(fù)雜的任務(wù)。達到TRL 9的能力需要對許多要求的理解和在較低的TRL上的快速過渡。我們很容易過度簡化技術(shù)商業(yè)化所涉及的因素，受制于一個龐大且不斷變化的全球產(chǎn)業(yè)，這自然會給經(jīng)濟可行性帶來不確定性。學(xué)術(shù)研究人員也許太容易根據(jù)初步的性能數(shù)據(jù)或原材料成本，對某項技術(shù)的擴展能力過于樂觀，而沒有意識到將一項新技術(shù)推向市場所需的資源的指數(shù)式增長。特斯拉的CEO埃隆-馬斯克關(guān)于 "制造機器的機器 "的評論也許是最好的例證，它提到了公司在規(guī)?；a(chǎn)中面臨的困難。
從長遠來看，炒作、過度推斷和不正當(dāng)?shù)募钪粫υ撔袠I(yè)造成損害，所有參與者都應(yīng)該承擔(dān)起促進良好溝通和最佳實踐的責(zé)任。不幸的是，在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界，電池領(lǐng)域一直以炒作、虛假承諾和不切實際的目標(biāo)而聞名。近年來，許多其他科學(xué)領(lǐng)域都不得不努力解決可重復(fù)性或科學(xué)完整性危機，這些危機是由電池科學(xué)測試中同樣容易發(fā)現(xiàn)的缺陷引起的。在這方面，整個電池研究界必須支持諸如采用標(biāo)準化測試協(xié)議、數(shù)據(jù)收集標(biāo)準化和要求發(fā)布原始數(shù)據(jù)等舉措。這種發(fā)展促進了知識的透明度和可轉(zhuǎn)移性，特別是考慮到基于機器學(xué)習(xí)或更廣泛地說，基于人工智能的研究方法越來越重要。特別是，我們強烈建議電池研究人員牢記以下幾個方面，在不忽視實際應(yīng)用方面的情況下改進材料的開發(fā)。
1.電解質(zhì)有效地設(shè)定了電化學(xué)儲能系統(tǒng)的界限，包括安全和循環(huán)壽命，電解質(zhì)的開發(fā)是一個妥協(xié)的過程。例如，成本必須與電化學(xué)穩(wěn)定性和離子傳導(dǎo)性相平衡。提高循環(huán)壽命是大多數(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵，應(yīng)激勵對新電解質(zhì)系統(tǒng)的研究。
2.近年來，該行業(yè)，特別是汽車制造商的重點是實現(xiàn)能量密度的階梯式變化，這使人們更加關(guān)注引入或轉(zhuǎn)換到硅和鋰金屬負極，因此，必須重新思考電池設(shè)計。當(dāng)然，這些新概念必須滿足最低的性能要求。然而，被認為是 "傳統(tǒng) "電池概念的持續(xù)改進，以及原材料成本的增加，使得一些公司從石墨|LFP電池等 "傳統(tǒng) "系統(tǒng)中獲得了有競爭力的性能。這些電池系統(tǒng)的進一步改進可能為商業(yè)模式的創(chuàng)新提供了可能性，如車輛到電網(wǎng)（V2G）的整合。
3.降低成本、增加能量和使用壽命方面的目標(biāo)也可以通過漸進式的改進來實現(xiàn)，例如，通過改進電池組的設(shè)計和制造工藝，如比亞迪的Blade電池和電池組，還包括活性和非活性材料，如Jeff Dahn教授（Dalhousie University）強調(diào)的電解質(zhì)和添加劑的優(yōu)化。
4.正極活性材料通常會區(qū)分鋰電池，而選擇的驅(qū)動力是成本和性能；這在中短期內(nèi)可能會繼續(xù)下去。在未來，負極材料的選擇也會使這些電池出現(xiàn)類似的差異。
我們還想說說供應(yīng)鏈的戰(zhàn)略作用。這一領(lǐng)域?qū)τ诮档统杀竞吞岣咪囯姵氐男阅苤陵P(guān)重要，同時對制造和材料生產(chǎn)過程產(chǎn)生強烈影響。另一個同樣重要的領(lǐng)域是需要進行數(shù)據(jù)驅(qū)動的環(huán)境可持續(xù)性分析，如生命周期評估，以了解電池從原材料開采到回收的環(huán)境影響。
隨著越來越多的具有各種科學(xué)和技術(shù)背景的研究人員將他們的注意力轉(zhuǎn)向電池行業(yè)，重要的是他們要對整個行業(yè)的研究和發(fā)展情況有更廣泛的了解，而不是縮小視野，只關(guān)注他們的專業(yè)領(lǐng)域。這樣做，可以避免得出誤導(dǎo)性或無效的結(jié)論，從而無法推動鋰電池的科學(xué)理解和進步。
在這方面，我們認為COVID-19期間在線電池論壇的增長是一個令人鼓舞的發(fā)展?；旌蠒h可以成為專家和非專家相互交流并獲得更廣泛觀點的有效論壇。應(yīng)該激勵開放、包容和具有成本效益的舉措，從免費獲取科學(xué)研究成果開始，包括有學(xué)術(shù)和非學(xué)術(shù)參與的無障礙交流平臺。然而，這些舉措也伴隨著一些挑戰(zhàn)和限制，例如：(i) 錯誤信息可能傳播的風(fēng)險；(ii) 開放數(shù)據(jù)可能被有利益沖突的實體濫用或被非專家誤解；(iii) 論壇變得自我指責(zé)的風(fēng)險；(iv) 保密問題，與行業(yè)密切合作的研究人員可能受到保密協(xié)議的限制。
最終需要一個更嚴格的科學(xué)方法。最終的目標(biāo)應(yīng)該是加快直接改善電池系統(tǒng)的創(chuàng)新，增加相關(guān)的、可重復(fù)的、可公開獲取的同行評審科學(xué)文章的數(shù)量?？紤]到推動能源轉(zhuǎn)型所需的時間和非時間資源是有限的，這一點尤其重要。
如今，有太多的研究增加混淆而不是推動進展，我們需要利益相關(guān)者、工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和出版商的聯(lián)合行動來解決這個問題。資源不應(yīng)浪費在（往往是不知情的，可能是善意的）有偏見和/或不可靠的研究或聽起來不錯的新聞稿上。事實上，肯定需要一個更關(guān)鍵的、以工程為主導(dǎo)的、數(shù)字的和透明的科學(xué)研究方法。
作為結(jié)束語，讀者應(yīng)牢記，透明度是一項關(guān)鍵要求，缺乏充分、公正和詳盡的溝通通常是學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界之間存在分歧的主要原因，或者更廣泛地說，是合作研究活動失敗的主要原因。
