高性能鋰離子電池的最新發(fā)展已經(jīng)引發(fā)了現(xiàn)代社會的深刻變革。啟用無線通信后，鋰離子電池為汽車行業(yè)全面過渡到電動化時代鋪平了道路。然而，對于尋求具有高性能的，高安全性的和低成本的電池技術(shù)仍在持續(xù)。因此，在經(jīng)濟(jì)上也投入了大量的人力和物力。第12屆國際先進(jìn)動力鋰電池年度會議（Annual International Conference on Advanced Lithium Batteries for Automobile Applications, ABAA-12）于2019年10月在德國烏爾姆舉行，來自中國，德國，日本，歐盟委員會和美國的諸多政策制定者們，對如何推動鋰離子電池技術(shù)在電動汽車中的應(yīng)用提出了富有建設(shè)性的意見，對相關(guān)愿景進(jìn)行了深入的描述。這篇前瞻性文章的目的旨在對當(dāng)前各國的研發(fā)趨勢以及電動汽車在大眾市場中的滲透給出一定見解。
【背景導(dǎo)讀】
全球人口的不斷增長以及城市的擴(kuò)展，挑戰(zhàn)著現(xiàn)有的交通和能源解決方案。鋰離子電池（Li-ion batteries, LIBs）技術(shù)觸發(fā)了道路運輸，家庭能源存儲電氣化的第一步，更廣泛地講，減少了社會整體對于化石燃料的依賴。確實，鋰離子電池技術(shù)的成功正在加速社會能源結(jié)構(gòu)向可再生能源的過渡，并擴(kuò)大對電動汽車（Electric vehicles, EVs）的接受度和市場滲透率。預(yù)計到2028年將有2億輛各類電動汽車投入使用。自1991年Sony首次商業(yè)化鋰離子電池以來，它們的性能不斷被提高以實現(xiàn)這些成就。這些提升不僅要考慮到體積能量密度（Wh/L）和重量能量密度（Wh/kg），還要考慮安全性，成本和充電速度[1, 2]。但是，為了推動現(xiàn)代社會可目睹的能源革命，還是需要進(jìn)一步的提升[3]。
與任何其他類型的電池技術(shù)相比，鋰離子電池具有出色的能量和功率性能[4]。這就是為什么這種突破性電池技術(shù)是迄今為止研究最多的原因。盡管如此，歷史告訴我們，鋰離子電池技術(shù)仍相對較年輕，距離首次商業(yè)化應(yīng)用僅30年之久。因此，電池驅(qū)動的電動汽車要與由傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)（Internal combustion engines, ICE）驅(qū)動的汽車競爭已不是一件容易的事，傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)已經(jīng)發(fā)展了近150年。另一方面，工業(yè)界和中央政府的承諾和財政支持正在推動鋰離子電池的研發(fā)工作，電動汽車的大規(guī)模生產(chǎn)和電池的商業(yè)化。因此，瑞典皇家科學(xué)院基于鋰離子電池技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用對我們整個社會取得巨大進(jìn)步的影響，將2019年諾貝爾化學(xué)獎授予該突破性技術(shù)發(fā)明的三位科學(xué)家：Akira Yoshino, M. Stanley Whittingham和John B. Goodenough。
【文章正文 】
1. 科研&學(xué)術(shù)發(fā)展：如圖1，通過觀察2000年至2019年相關(guān)科學(xué)出版物數(shù)量的增加，也可以明顯地看出，關(guān)于鋰離子電池的學(xué)術(shù)研究工作在不斷增加，2019年已發(fā)表超過10000篇論文。而在同一時間范圍內(nèi)，已提交了涉及鋰離子電池的發(fā)明專利也有10500多項（數(shù)據(jù)來源：Google Patents）。
圖1. 與鋰離子電池主題相關(guān)的出版物數(shù)量 (數(shù)據(jù)來源：Scopus)
2. 政策激勵：盡管如此，期望鋰離子電池技術(shù)的所有關(guān)鍵性能指標(biāo)（即安全性，能量，功率和成本）將進(jìn)一步改善，從而擴(kuò)大終端客戶對混合動力（Hybrid EV, HEV），插電式混合動力（Plug-inhybrid EV, PHEV）或純電動動力（BEV）等電動汽車的接受程度。此類改善主要是由汽車行業(yè)推動的，事實上，即使2017年電動汽車的份額“僅”占全球汽車總銷量的1%以上，汽車行業(yè)仍利用了鋰離子電池總產(chǎn)能的約60%[5]。值得一提的是，電動汽車份額在接下來的一年中增長了兩倍以上，在2019年達(dá)到了略高于3%。其中銷售PHEV和BEV車型受到中央政府激勵措施的大力推動，這可以被視為補(bǔ)貼優(yōu)惠（購買補(bǔ)貼）或者稅收優(yōu)惠。在歐盟，幾乎所有成員國都在擴(kuò)大此類激勵措施，而一些成員國已經(jīng)宣布禁止傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的汽車銷售（如圖2）。
圖2. 計劃禁止（純粹）以汽油為動力的汽車進(jìn)行注冊（以年為單位）以及購買電動汽車具有補(bǔ)貼的歐洲國家/地區(qū)總體概覽（以綠色“對號√”表示）
在美國，中國和日本也提出了相應(yīng)的激勵措施。這些框架計劃無疑為增加全球電動汽車注冊量（如圖3a）和累計銷量（如圖3b）做出了貢獻(xiàn)，兩者均顯示出了驚人的增長率。需要指出的是，盡管2019年中國和美國對電動汽車的財政支持減少了，因此導(dǎo)致了全球范圍內(nèi)新電動汽車較低的注冊增長率（+4%），但這些國家的銷量無論如何都接近了之前的水平。而在歐洲的銷售額進(jìn)一步增加（數(shù)據(jù)來源：ZSW Data ServiceRenewable Energies）。
圖3. 全球電動化市場中，電動汽車存量和注冊量的年度數(shù)據(jù)
數(shù)據(jù)來源：ZSW Data Service Renewable Energies:
https://www.zsw-bw.de/en/media-center/data-service.html#c6700
3. 成本下降&技術(shù)路線提升：顯然，與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)動力汽車相比，電動汽車的購買成本仍相對較高（至少在沒有大量補(bǔ)貼的情況下）可能仍然使消費者望而卻步。在這方面，由于總產(chǎn)能的進(jìn)一步增長以及使用比鈷更便宜的金屬，預(yù)計電池成本將在未來幾年內(nèi)逐步下降（如圖4）。盡管如此，必須指出的是，在2010-2018年的時間范圍內(nèi)，在電池包層級上每度電（KWh）的價格已下降了85%（數(shù)據(jù)來源：BloombergNEF）。NEDO的2030年下一代電池的研發(fā)目標(biāo)顯示，電池包的價格有望進(jìn)一步下降（如圖4），到95美元/kWh。
圖4. 2010-2030年間，電池包級別的鋰離子電池價格與總產(chǎn)能的變化 (NEDO提供的2030年預(yù)測成本)
如前所述，鋰離子電池的改進(jìn)很可能會體現(xiàn)在所有的主要性能指標(biāo)上。而此，安全性被認(rèn)為是最重要的。必須指出，由美國國家公路交通安全管理局（US National HighwayTraffic Safety Administration, NHTSA）出具的一份報告顯示，關(guān)于發(fā)生電化學(xué)失效風(fēng)險的結(jié)論是：“鋰離子電池系統(tǒng)中使用的易燃電解質(zhì)溶劑意外著火引起的火災(zāi)和爆炸的傾向性和嚴(yán)重性，在某種程度上僅是與汽油或柴油車發(fā)生事故相提并論的，或者是略少一些的[6]。”顯然安全性仍必須進(jìn)一步提高，但目前在鋰離子電池安全性方面還是取得了令人矚目的一些成就。
此外，一次充電，預(yù)計充電時間為10-15分鐘或更短，將使電動汽車的行駛里程延長至500公里（即約300英里）以上，這與以傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)為動力的汽車加油需求相當(dāng)。如圖5所示，在策略上如何達(dá)到大部分都符合要求的性能目標(biāo)，可預(yù)見未來技術(shù)需要使用改進(jìn)的液體電解質(zhì)和/或固態(tài)電解質(zhì)，無鈷陰極材料，更好地理解電化學(xué)反應(yīng)界面以及從長遠(yuǎn)來看如何二次利用工作后的鋰離子電池。此外，越來越多的努力方向指向用于材料和電池生產(chǎn)的回收和工業(yè)化工廠。如今，大多數(shù)鋰離子電池的生產(chǎn)都在亞洲，特別是在中國，韓國和日本。但是，為了應(yīng)對產(chǎn)能的不斷攀升，必須增加全球產(chǎn)能以應(yīng)對汽車行業(yè)的整體需求。就歐洲而言，已經(jīng)規(guī)劃了超過300 GWh/年的產(chǎn)能，而在美國，TESLA計劃將電池總產(chǎn)能提高至22GWh/年。然而，隨著電動汽車的不斷發(fā)展，全球需要更多的產(chǎn)能。
圖5. 電動汽車電池研發(fā)工作的總體路線圖，涉及使用的陽極，電解質(zhì)和陰極材料
【總結(jié)】
2019年10月在德國烏爾姆舉行第12屆汽車應(yīng)用領(lǐng)域國際先進(jìn)鋰電池年度會議（ABAA-12），提供了由國內(nèi)（國際）資助計劃支持下的當(dāng)前和未來各項電池研究工作的深刻理解。因此，與這篇展望文章一起，我們向讀者提供有關(guān)BMBF（德國），CAS（中國），DG研究與創(chuàng)新（歐盟委員會），DOE（美國），NEDO（日本）等政府機(jī)構(gòu)的主要活動，指南和路線圖的報告。
【參考文獻(xiàn)】
[1] M. Li, J. Lu, Z. Chen, K. Amine, 30 Years of lithium-ion batteries, Adv. Mater. 30 (2018) 1800561, https://doi.org/10.1002/adma.201800561.
[2] Z. P. Cano, D. Banham, S. Ye, A. Hintennach, J. Lu, M. Fowler, Z. Chen, Batteries and fuelcells for emerging electric vehicle markets, Nat. Energy. 3 (2018) 279-289, https://doi.org/10.1038/s41560-018-0108-1.
[3] M. Armand, J. -M. Tarascon, Building better batteries, Nature 451 (2008) 652–657, https://doi.org/10.1038/451652a.
[4] Y. Ding, Z. P. Cano, A. Yu, J. Lu, Z. Chen, Automotive Li-ion batteries: currentstatus and future perspectives, Electrochem. Energy Rev. 2 (2019) 1–28, https://doi.org/10.1007/s41918-018-0022-z.
[5] D. Bresser, K. Hosoi, D. Howell, H. Li, H. Zeisel, K. Amine, S. Passerini, Perspectives of automotive battery R&D in China, Germany, Japan, and the USA, J. Power Sources 382 (2018) 176–178, https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.02.039.
[6] D. Stephens, P. Stout, G. Sullivan, E. Saunders, J. Risser, J. Sayre, Lithium-ion battery safety issues for electric and plug-in hybrid vehicles, Natl. Highw. Traffic Saf. Adm, 2019 (Report No. DOT HS 812 418), Washington, DC.
