特斯拉已使用磷酸铁锂电池，福特、大众的部分车型也将使用

全世界的电池越来越多。2022 年，电动汽车全球销量占比超过 10%，到 2030 年有望达到 30%。

世界各地的政策只会加速这种增长：美国最近的气候立法正在向电池制造投入数十亿美元，并鼓励购买电动汽车。欧盟和美国的几个州通过了从 2035 年禁止燃油车的禁令。

这种转变将需要大量的电池，以及更好、更便宜的电池。如今，大多数电动汽车都由锂离子电池供电，这项技术已有几十年的历史，被广泛用于笔记本电脑和手机。

这么多年的发展也帮助压低了价格，提高了性能，所以今天的电动汽车正接近燃油车的价格，每次充电可以行驶数百公里。

人们通过锂离子电池也发现了新的应用，包括电网上的电力存储、可以帮助平衡风能和太阳能等间歇性可再生能源等。

图 | 宝马计划在南卡罗来纳州的新工厂投资 17 亿美元，生产电动汽车及其电池（来源：AP PHOTO/SEAN RAYFORD）

但目前仍有很大的改进空间。科研实验室和公司都在寻找改进技术的方法，提高容量、加快充电时间和削减成本。

研究的目标是用上更便宜的电池，为电网提供廉价的存储方案，并允许电动汽车在充电后行驶更远的距离。

与此同时，对钴和锂等关键电池材料供应的担忧，正在推动寻找锂离子化学材料的替代品。

在对电动汽车和可再生能源的需求飙升、以及电池发展的激增之中，有一件事是肯定的：电池将在向可再生能源的过渡中发挥关键作用。

彻底的重新思考

一些截然不同的电动汽车电池生产方法可能会在 2023 年取得进展，尽管它们可能需要更长的时间才能产生商业影响。

2023 年需要关注的一个进展是所谓的固态电池。锂离子电池和相关的化学物质使用液体电解质来循环充电，固态电池用陶瓷或其他固体材料取代了液体。

这种转变开启了向更小的空间注入更多能量的可能性，有可能改善电动汽车的续航里程。固态电池也可以更快地移动电荷，这意味着更短的充电时间。

固态电池的支持者还认为，这种技术可以通过降低火灾风险来提高安全性，因为电解质中使用的一些溶剂可能是易燃的。

固态电池可以使用多种化学物质，但商业化的主要候选者是使用金属锂。例如，Quantumscape 公司专注于这项技术，并在 2020 年上市前筹集了数亿美元的资金。该公司与大众汽车达成了一项协议，预计到 2025 年将其电池安装到大众旗下的汽车上。

但事实证明，完全重塑电池是很困难的。除了制造方面的难题，人们还担心随着时间的推移，锂金属电池会退化。

Quantumscape 公司于 2022 年 12 月底宣布，已将样品交付汽车合作伙伴进行测试，这有望成为固态电池正式上路的一个重要里程碑。

其他固态电池玩家，比如 Solid Power 也在努力制造和测试他们的电池。不过，尽管这些公司也可能在 2023 年实现重大进展，但它们的电池大概不会在今年上路使用。

固态电池并不是唯一需要注意的新技术，钠离子电池技术也与今天常见的锂离子截然不同。

这些电池的设计类似于锂离子电池，包括使用了液体电解质等，但它们不依赖于锂，而是使用钠作为主要的化学成分。

据报道，中国电池巨头宁德时代计划在 2023 年开始大规模生产这些电池。钠离子电池可能不能提高性能，但它们可以降低成本，因为它们依赖于比锂离子化学材料更便宜、更广泛的材料。

但目前尚不清楚这些电池，能否满足电动汽车续航里程和充电时间的需求，这就是为什么一些追求这项技术的公司比如美国的 Natron，瞄准了要求较低的应用，如固定存储或电动自行车和摩托车等中小型移动设备。

能源研究机构 BloombergNEF 的能源存储主管弥生世金（Yayoi Sekine）指出，如今针对固定电网存储的电池市场规模很小，大约是电动汽车电池市场规模的十分之一。

但是，随着安装更多的可再生能源，对电力储存的需求正在增长，因为风能和太阳能等主要的可再生能源是不可控的，而电池可以在需要的时候帮助储存能源。

锂离子电池并不是理想的固定存储，尽管它们被广泛使用。虽然电动汽车的电池更小、更轻、更快，但固定存储的主要目标是降低成本。大小和重量对电网存储并不重要，这意味着不同的化学物质很可能受到青睐。

在固定储存领域，铁也受到了格外关注。两家公司可能会在未来一年间宣布进展：Form Energy 公司正在开发一种铁-空气电池，它使用水基电解质，本质上是通过可逆生锈来储存能量。

该公司最近宣布，将在美国西弗吉尼亚州的威尔顿成立一个价值 7.6 亿美元的制造工厂，计划于 2023 年开始建设。

另一家名为 ESS 的公司正在制造一种不同类型的铁电池，采用类似的化学成分。它已经开始在美国俄勒冈州威尔逊维尔的总部进行生产。

标准的改变

锂离子电池越来越好，也越来越便宜，但研究人员正在进一步调整技术，以实现更高的性能和更低的成本。

其中一些动机来自于电池材料的价格波动，这可能会促使企业改变化学成分。“这是一个成本游戏，”Sekine 说。

阴极通常是电池中最昂贵的部件之一，而一种被称为镍锰钴（nickel manganese cobalt）的阴极是当今电动汽车电池使用的主要材料。

但除了锂之外，这三种元素都很昂贵，所以削减部分或全部元素可能有助于降低成本。

2023 年我们可能看到替代方案的突破：磷酸铁锂（lithium iron phosphate），这是一种低成本的阴极材料，有时被用于锂离子电池。

最近在磷酸铁锂化学和制造方面的新成果，帮助提高了这些电池的性能，企业也开始采用这项技术。磷酸铁锂的市场份额正在迅速增长，从 2018 年全球电动汽车市场的约 10% 上升到 2022 年的约 40%。

特斯拉已经在一些汽车上使用了磷酸铁锂电池，福特和大众等汽车制造商宣布，他们也计划开始为一些车型提供这种电池。

虽然电池的研究倾向于集中在阴极化学上，但阳极也不容忽视。如今，无论阴极的组成如何，锂离子电池中的大多数阳极都使用石墨来容纳锂离子。但硅等替代品可能有助于提高能量密度，加快充电速度。

硅阳极多年来一直是研究的对象，但从历史上看，它们的寿命还不足以支撑大型产品。不过，现在各公司正开始扩大这种材料的生产。

2021 年，初创公司 Sila 开始为可穿戴健身设备的电池生产硅阳极。该公司最近获得了美国能源部提供的 1 亿美元拨款，用于帮助在华盛顿的摩西湖市建立一个制造工厂。该工厂将为 Sila 与奔驰的合作生产产品，预计将从 2025 年开始生产电动汽车电池的材料。

其他初创公司正在努力将硅和石墨混合在一起，形成阳极。比如 Sionic Energy公司，以及与通用汽车合作的 OneD Battery Sciences 公司，都有望在 2023 年进一步实现商业化。

政策决定产品

2022 年底，美国通过了《降低通货膨胀法案》，为气候和清洁能源拨出了近 3700 亿美元的资金，其中包括数亿美元用于电动汽车和电池制造。“每个人都在关注这项法案，”麻省理工学院的材料研究人员、多家电池公司的创始人蒋业明（Yet Ming Chiang）表示。

《降低通货膨胀法案》将向美国的电池制造商提供贷款和资助，以提高产能。此外，该法律中的电动汽车税收抵免，鼓励汽车制造商从美国或其自由贸易伙伴那里采购电池材料，并在北美生产电池。

由于《降低通货膨胀法案》的补助和电动汽车税收抵免限制，汽车制造商将继续宣布在美国补充新的产能，并寻找材料方面的新方法。

所有这些都意味着，人们对锂离子电池的关键成分的需求将会越来越多，包括锂、钴和镍。

由该法案可能带来的一个结果是，人们对电池回收的兴趣正在增加。虽然短期内没有足够的淘汰电动汽车，来满足对于一些关键材料的需求，但回收利用正开始升温。

在这方面，宁德时代和其他中国公司在电池回收方面处于领先地位。不过在 2023 年，北美和欧洲等其他主要电动汽车市场可能会出现显著增长。

总部位于美国内华达州的 Redwood Materials 和总部位于加拿大多伦多的 Li-Cycle 公司正在建设设施，并致力于分离和净化锂和镍等关键的电池金属，以便在电池中重复使用。

Li-Cycle 公司将于 2023 年开始调试其主要回收设施。Redwood Materials 公司则已经开始在内华达州的工厂生产一种铜箔作为其首款产品。最近它还宣布，计划从 2023 年开始在南卡罗来纳州建造第二家工厂。

总体来说，通过全球各地政策所注入的大量资金，推动了对电动汽车及其电池的需求，因此对于电池产业来说，2023 年将是值得关注的一年。

支持：Ren

原文：

https://www.technologyreview.com/2023/01/04/1066141/whats-next-for-batteries/