新材料将取代锂离子电池？它的优势又有哪些？
来源：宝鄂实业
2019-04-22 22:05
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华裔科学家研发出了一种新型钠离子电池阴极材料。该材料拥有高电池容量且循环寿命长，有望取代因资源储量有限而价格高昂的锂离子电池。
2017年10月9日，一项具有重大突破意义的研究成果发表在了《自然?能源》期刊上。
一支由著名华裔材料科学家鲍哲南和崔屹领衔的材料科学研究团队，成功研发出了一种新型钠离子电池阴极材料。该材料拥有极高的电池容量且循环寿命大幅增加，有望取代因矿产资源储量有限而价格高昂的锂离子电池。
著名华裔材料科学家斯坦福大学教授鲍哲南（左）、崔屹（中）以及本次论文的第一作者、斯坦福大学博士后MinahLee（右）
这种新型的材料使用了全新的思路，大大提升了钠离子电池的性能——其循环电池容量达到了484mAh/g，阴极能量密度更是高达726Wh/kg。
本次论文的第一作者、斯坦福大学博士后MinahLee也对DT君表示：“我们的新型阴极由氧和钠组成，具有与常规锂阴极相当的能量密度，可以作为钠离子电池取代锂离子电池的可靠阴极。”
更加令人瞩目的是，由于地球上钠的储量极为丰富，钠离子电池阴极材料开采、生产成本仅为锂离子电池的1/100，从而将钠离子电池的整体成本控制到锂离子电池的80%左右。这一突破性的技术进展，让人类在大规模能源储存的道路上再一次迈出坚实的一步。
随着全球对锂电池的需求不断增加，锂矿的开采供不应求，价格也水涨船高。随着储量的消耗，其价格可能进一步攀升
事实上，作为目前移动端最靠谱的电池，锂离子电池以较高的能量密度和较彻底的充放电深度，统治了手机、电脑、电动汽车等绝大多数需要充电电池的应用场景。而且，随着锂电池产能的提高，在规模经济的作用下，其价格已经连续多年保持下降的势头，进一步巩固了其相对于其它电池技术的竞争优势。
有科学家甚至认为，在地球上的锂矿全被开采完之前，将不会有其它电池取代锂电池的江湖地位。
然而，“储量耗尽”这个看似天方夜谭一般的情景，却正成为很多业内人士真真切切的担忧。在全球范围内锂电池的产量不断冲向新高、锂电池整体价格大幅下降的背景下，部分用于生产锂电池电极的原材料价格却反而大幅飙升。这是因为地球上可用于生产锂电池所需阴极材料的矿产资源（锂矿、钴矿等）实际上一点都不丰富。
为了满足现有的锂电池产量需求，世界范围内各个矿场的产能都已经被逼到了极限，再增加产能十分困难。更不用说，加速开采还会让这些有限的矿产资源提前耗尽，从而进一步推高价格。因此，锂离子电池面临着一个绝大多数的商品永远都不会面临到的挑战：随着产量的提升，价格不仅无法持续下降，反而可能急剧升高。
为了解决这个问题，科学家们将目光投向了在元素周期表上紧挨着锂元素、特性也与其十分相近的另一种元素——钠。与锂资源相比，地球上的钠资源储量简直丰富到“不可能被耗尽”：从浩瀚的大海里，到每家每户的餐桌上，到处都有氯化钠——食盐的身影。与锂离子电池材料每吨高达15,000美元的价格相比，如果用钠离子作为电极材料，其每吨成本将只有150美元，便宜足有100倍之多。
与锂相比，地球上的钠资源实在是太丰富了。大海、盐湖、盐矿，钠元素占据了地壳中超过2.7%的质量。因此，以钠为材料的电池将远比锂电池便宜
然而，虽然应用前景广大，钠离子电池的研究却一直没有取得决定性的突破。
事实上，钠离子电池的研究曾与锂离子电池同时起步。不同于其他需要氧化还原反应的电池，这两种电池属于“摇椅电池”——需要离子自己在阴阳极之间来回穿梭，以达到充放电的目的。换句话说，阴极和阳极起到的作用就是收集、储存和释放用以产生电流的离子
许多元素都被用于制造电池。综合多种性能来看，锂是目前最佳的选项。但锂电池电极材料矿产资源储量的匮乏，为其未来的发展埋下了隐忧
上世纪八十年代，锂离子的阴极材料研究首先取得突破，以钴酸锂等材料为代表的阴极材料，和通常由石墨构成的阳极材料组合，让锂离子电池获得了极佳的性能，从而取代之前的镍氢充电电池，走进了千家万户。而钠离子电池的电极材料研究却远没有这么顺利。
实际上，如果离子电池要高效运行，必需要同时满足以下两个条件。但在之前的研究中，钠离子电池的阴极材料要么能量密度高但循环寿命短，要么就是循环寿命长但能量密度低：
能量密度够高，单位质量的电池可以提供足够多的电量；
循环寿命长，电量不会随着充放电循环次数的增加明显下降。
这一次，斯坦福大学的团队跳出了之前使用过渡元素氧化物或聚阴离子作为阴极材料的思维框架，使用了一种全新的有机材料“肌醇”与钠离子进行结合。
你可能没听说过这个拗口的名字，但这种与葡萄糖结构非常相似的有机物广泛存在于动植物中，是动物、微生物的生长因子，也是食物中的一种常见营养成分。作为一种工业界十分熟悉的有机物，肌醇工艺成熟、应用广泛，而这对于控制钠离子电池的成本来说至关重要。
钠与肌醇可以结合为Na2C6O6，这种化合物是一种非常理想的阴极材料，理论上可以一次携带4个钠离子，因此电池可以有着极高的容量——501mAH/g。
事实上，在鲍哲南团队之前，也曾有人尝试过使用Na2C6O6作为电极材料生产钠离子电池。然而，理论上最高4个钠离子的运送量在实际中其实很难达到，使得Na2C6O6电池的能量密度远低于预期。
此外，只要经过一次充放电循环，第二次循环的能量密度会进一步急剧下降，根本无法满足实际使用的需求。在实际使用场景中，电池应该在经过数百甚至上千次充放电循环后，依然保持较为充足的电量。
鲍哲南团队使用的新型钠离子电池阴极材料，右图中黄色为钠离子，"镶嵌"在红色和灰色标识的肌醇中。一个Na2C6O6一次最多可以携带4个钠离子，拥有极高的能量密度
MinahLee说：“本次研究中最大的障碍在于，这种化合物在以前的研究中只能储存少于两个单位的钠和电子，这不足以与锂离子电池阴极的能量密度竞争。但在这里，我们通过了解和解决氧化还原反应过程中相变动力学限制，让此化合物可以储存四个钠。”
2017年10月9日，一项具有重大突破意义的研究成果发表在了《自然?能源》期刊上。
一支由著名华裔材料科学家鲍哲南和崔屹领衔的材料科学研究团队，成功研发出了一种新型钠离子电池阴极材料。该材料拥有极高的电池容量且循环寿命大幅增加，有望取代因矿产资源储量有限而价格高昂的锂离子电池。
著名华裔材料科学家斯坦福大学教授鲍哲南（左）、崔屹（中）以及本次论文的第一作者、斯坦福大学博士后MinahLee（右）
这种新型的材料使用了全新的思路，大大提升了钠离子电池的性能——其循环电池容量达到了484mAh/g，阴极能量密度更是高达726Wh/kg。
本次论文的第一作者、斯坦福大学博士后MinahLee也对DT君表示：“我们的新型阴极由氧和钠组成，具有与常规锂阴极相当的能量密度，可以作为钠离子电池取代锂离子电池的可靠阴极。”
更加令人瞩目的是，由于地球上钠的储量极为丰富，钠离子电池阴极材料开采、生产成本仅为锂离子电池的1/100，从而将钠离子电池的整体成本控制到锂离子电池的80%左右。这一突破性的技术进展，让人类在大规模能源储存的道路上再一次迈出坚实的一步。
随着全球对锂电池的需求不断增加，锂矿的开采供不应求，价格也水涨船高。随着储量的消耗，其价格可能进一步攀升
事实上，作为目前移动端最靠谱的电池，锂离子电池以较高的能量密度和较彻底的充放电深度，统治了手机、电脑、电动汽车等绝大多数需要充电电池的应用场景。而且，随着锂电池产能的提高，在规模经济的作用下，其价格已经连续多年保持下降的势头，进一步巩固了其相对于其它电池技术的竞争优势。
有科学家甚至认为，在地球上的锂矿全被开采完之前，将不会有其它电池取代锂电池的江湖地位。
然而，“储量耗尽”这个看似天方夜谭一般的情景，却正成为很多业内人士真真切切的担忧。在全球范围内锂电池的产量不断冲向新高、锂电池整体价格大幅下降的背景下，部分用于生产锂电池电极的原材料价格却反而大幅飙升。这是因为地球上可用于生产锂电池所需阴极材料的矿产资源（锂矿、钴矿等）实际上一点都不丰富。
为了满足现有的锂电池产量需求，世界范围内各个矿场的产能都已经被逼到了极限，再增加产能十分困难。更不用说，加速开采还会让这些有限的矿产资源提前耗尽，从而进一步推高价格。因此，锂离子电池面临着一个绝大多数的商品永远都不会面临到的挑战：随着产量的提升，价格不仅无法持续下降，反而可能急剧升高。
为了解决这个问题，科学家们将目光投向了在元素周期表上紧挨着锂元素、特性也与其十分相近的另一种元素——钠。与锂资源相比，地球上的钠资源储量简直丰富到“不可能被耗尽”：从浩瀚的大海里，到每家每户的餐桌上，到处都有氯化钠——食盐的身影。与锂离子电池材料每吨高达15,000美元的价格相比，如果用钠离子作为电极材料，其每吨成本将只有150美元，便宜足有100倍之多。
与锂相比，地球上的钠资源实在是太丰富了。大海、盐湖、盐矿，钠元素占据了地壳中超过2.7%的质量。因此，以钠为材料的电池将远比锂电池便宜
然而，虽然应用前景广大，钠离子电池的研究却一直没有取得决定性的突破。
事实上，钠离子电池的研究曾与锂离子电池同时起步。不同于其他需要氧化还原反应的电池，这两种电池属于“摇椅电池”——需要离子自己在阴阳极之间来回穿梭，以达到充放电的目的。换句话说，阴极和阳极起到的作用就是收集、储存和释放用以产生电流的离子
许多元素都被用于制造电池。综合多种性能来看，锂是目前最佳的选项。但锂电池电极材料矿产资源储量的匮乏，为其未来的发展埋下了隐忧
上世纪八十年代，锂离子的阴极材料研究首先取得突破，以钴酸锂等材料为代表的阴极材料，和通常由石墨构成的阳极材料组合，让锂离子电池获得了极佳的性能，从而取代之前的镍氢充电电池，走进了千家万户。而钠离子电池的电极材料研究却远没有这么顺利。
实际上，如果离子电池要高效运行，必需要同时满足以下两个条件。但在之前的研究中，钠离子电池的阴极材料要么能量密度高但循环寿命短，要么就是循环寿命长但能量密度低：
能量密度够高，单位质量的电池可以提供足够多的电量；
循环寿命长，电量不会随着充放电循环次数的增加明显下降。
这一次，斯坦福大学的团队跳出了之前使用过渡元素氧化物或聚阴离子作为阴极材料的思维框架，使用了一种全新的有机材料“肌醇”与钠离子进行结合。
你可能没听说过这个拗口的名字，但这种与葡萄糖结构非常相似的有机物广泛存在于动植物中，是动物、微生物的生长因子，也是食物中的一种常见营养成分。作为一种工业界十分熟悉的有机物，肌醇工艺成熟、应用广泛，而这对于控制钠离子电池的成本来说至关重要。
钠与肌醇可以结合为Na2C6O6，这种化合物是一种非常理想的阴极材料，理论上可以一次携带4个钠离子，因此电池可以有着极高的容量——501mAH/g。
事实上，在鲍哲南团队之前，也曾有人尝试过使用Na2C6O6作为电极材料生产钠离子电池。然而，理论上最高4个钠离子的运送量在实际中其实很难达到，使得Na2C6O6电池的能量密度远低于预期。
此外，只要经过一次充放电循环，第二次循环的能量密度会进一步急剧下降，根本无法满足实际使用的需求。在实际使用场景中，电池应该在经过数百甚至上千次充放电循环后，依然保持较为充足的电量。
鲍哲南团队使用的新型钠离子电池阴极材料，右图中黄色为钠离子，"镶嵌"在红色和灰色标识的肌醇中。一个Na2C6O6一次最多可以携带4个钠离子，拥有极高的能量密度
MinahLee说：“本次研究中最大的障碍在于，这种化合物在以前的研究中只能储存少于两个单位的钠和电子，这不足以与锂离子电池阴极的能量密度竞争。但在这里，我们通过了解和解决氧化还原反应过程中相变动力学限制，让此化合物可以储存四个钠。”
锂电池的发展可能会促使电动汽车的使用。研究表明，假设汽油价格维持在2015年水平，当电动汽车电池价格降至125-165美元/kWh时，电动汽车将可以在成本上与内燃机汽车相竞争。根据我们的模型，这个目标最早将在2017年实现，最晚也可以在2020年完成。除了电池价格之外，汽油价格、电费以及每年的行驶里程也对电动汽车的价格竞争力有着影响。这些预测结果低于先前报告文献中的数值。
通过双因素模型的结果，我们还研究比较了通过检索学习和通过部署计划的成本变化。检索学习代表了研究-发展-示范(RD&D)的影响。为了预估此情况，我们从双因素模型的当前价格趋势中减少33%的专利活动，我们发现，要想在2020年实现跨入100美元/kWh电池储能的门槛，依赖实践学习，我们需要在全球增加307GWh的部署。打个比方，这意味着每年都要新部署一座特斯拉35GWh超级工厂。专利活动是双因素模型的关键驱动因素。缺乏专利活动将提升成本使得电池价格增长76美元/kWh。在没有任何新创新的最极端情况下，仅通过部署实现成本削减目标的代价会非常高，到2020年将超过1400亿美元。这是不可能也是不可行的，因此也强调了通过双因素框架实现以创新驱动成本降低的重要性。然而，最近大部分太阳能光伏和风能成本削减，都来自于工艺改进以及用部署的利润进一步推动企业创新研发。如果对储能来说这是正确的，那么在创新和部署之间的这种反馈限制了我们完全解耦研发和部署两个目标的能力。这需要进一步的研究，并强调同时发展检索学习和实践学习的重要性，形成检索学习和实践学习共同发展的模式。
此外，公用事业和住宅规模的储能正在逐渐接近与电网平价。我们发现以目前的目标,如果美国太阳能电价达到1美元/W的“SunShot”价格目标,到2020年，这样的价格趋势预计会使住宅太阳能和电池储能在成本上与电网电力相竞争,实现均化发电成本(LCOE)逐步降低至约0.11美元/kWh。
目前，基于锂电池的储能仍然主要是针对防停电保护的利基市场，但我们的分析表明这种情况完全可以改变，储能会为未来的电力系统提供灵活性和可靠性。这一发现与最近一研究成果形成了鲜明对比，该研究假定储能作为脱碳发电的价值降低，因此储能技术成本会有所上升。根据我们的预测，这些预言未来储能悲观价格的研究都没有考虑创新和部署的互补效应，以及未来电力系统中能量灵活性和/或能源大规模存储的价值。GW级电网储能将改善输电和配电系统，从而降低未来的投资，以确保电网稳定性并提高客户可靠性。尽管例如劳动力和成套设备组件等因素也是总项目成本的重要组成部分，但模型还是强调了锂和非锂电化学储能方案已非常接近该目标。
研发支出对价格的影响降低
为了实现储能驱动的变革，需要进一步的研究来维持专利活动水平。公共研发支出和私人研究项目通过刺激研究和促进实验的高水平直接引发创新，但美国联邦政府的研发支出却持续下降。光伏研究仍是研发项目推动增长和降低成本的最佳例证。然而，在过去的十年里，能源领域的公共研发支出并没有跟上能源行业收入的增长。图3显示了美国联邦政府在1976年至2015年间的研发支出。在此期间，美国联邦政府的研发支出总额从GDP的1.2%骤降至0.8%。能源研发支出比从0.3%降至0.013%。全球能源研发支出占全球总研发支出的比重从10%以上降至2013年的3.9%。2015年，美国能源研发占总研发的2.1%。目前的能源研发支出份额并不反映清洁能源技术部署的重要性及其在实现全球气候目标方面的作用。在电池技术方面，迫切需要采取行动，增加公共研发支出，从而推动创新，降低储能成本，从而推动价格有竞争力的可调度太阳能、风能和电力存储。
图中是美国联邦政府在1976-2016年的研发支出。美国联邦政府的研发支出在过去40年里下降了约1.2%至0.8%。与此同时，与能源相关议题的联邦研发支出从0.3%骤降至0.013%。这些深绿色的圆点显示了与能源相关的研发支出在研发支出中所占份额的相似发展。在20世纪70年代后期，能源研发占研发总量的10%以上，其中50%以上被分配到全球核能。相比之下，2013年国际社会将3.9%的研发资金投入与能源相关的活动。数据来自美国科学促进会。
材料科学的进一步发展可能会促进电池能量密度的增加，这对于提高电动汽车的行驶里程从而与传统车辆竞争仍然至关重要，同时也可以降低电网储能应用的成本。目前，锂离子电池的专利活动处于一个高水平，尽管它在过去5年里已经停滞不前了。这一模型强调了政策制定者通过系统地为清洁技术研发项目提供资金，以合理的价格实现脱碳目标，从而不断降低公共研发支出和能源创新活动的重要性，肯定了先前研究的结果，并不仅延伸到发电资源，同时也包括储能。此外，政策制定者应该启动一个有利于私人风险资本投资于清洁技术的标准化框架。风险资本(VC)被认为对清洁技术行业至关重要，研究表明，VC比在专利活动方面的(公众)研发更有效，因此可以用于实现电化学和机械储能系统的目标。图4给出了2009年至2014年期间储能领域的全球企业和VC投资。尽管VC支持公司提供的大量贷款担保目前仍没有可观的收益，但政府的一些举措，如小企业创新研究计划(SBIR)、大学研发项目和大规模的示范项目，已经取得了更大的成功。
图中全球企业和风险投资在能源存储领域的投资。在金融危机后的2009年、2010年和2011年，投资水平在2014年大幅下降。
讨论
根据我们的两因素模型，采用激励总部署EVs或储能系统的策略是昂贵的方式。我们估计，到2018年，在当前的五年专利平均水平上，对电动汽车来说达到每千瓦时125美元的较低的边界，需要比目前预测的每年增加两倍以上的产量。这等于产生了大约300GWh的额外生产能力。特别值得一提的是，用于客户侧终端的锂电池在总生产中占有相当大的市场份额，而能源应用可能会继续滞后。通过搜索来学习，或者是创新(通过“研究”来学习)，很有可能比部署激励发挥更大的作用，可以实现在更短的时间内实现更快的成本削减。采纳的政策有可能导致对EVs和系统级储能的生产或系统级价值链的成本提高。然而，通过容量目标来激励部署，可能会产生重大的风险，在这种情况下，消费者不计后果购买的东西都会得到激励。储能的部署目标可能没有像研究、创新驱动的活动那样可以效果好。
我们提出一项战略，将资金分配到更有成本效益的研究和发展措施上。政府可以在推动研究进展和创新方面发挥关键作用，从而进一步降低成本。未来的研究和法律框架，使分布式能源系统和“车-网”互动成为一个新兴的研究领域。另一项研究焦点是了解网络储能有价值的情况，即提供旋转备用或辅助服务的操作框架，需求响应，以及减少排放的可能。对于汽车储能的应用，激励和设计一个紧密啮合的充电基础设施可以减轻范围的限制。所有这些(不仅是材料研究，而且是部署)的结果都可以促进创新驱动的成本削减。
发展研究项目不仅要注重材料科学技术的电化学储存，而且要考虑到新兴的机械存储应用将提高电力系统规划的灵活性。一些人宣称机械存储应用可能会以价格来削弱电化学存储;然而，两者可能都有市场。长时间的大容量存储容量和高功率设备的短脉冲可以提供频率调节、辅助服务，或在某些工况下简单地向电网注入功率。通过能量密度和降低成本来提高储能性能的互补性将是车辆和网络级应用的必要条件。存储技术可以从资产互补借鉴，驱动PV市场增长，并在清洁技术生态系统中找到合适的应用，而不仅仅是储能容量达到了多少千瓦时。由于创新和部署驱动的成本削减，多用途存储应用很可能会出现。
基于双因素模型，我们建议决策者采取平衡的创新和部署政策。政策组合更有可能成功地推动环境变化，而不是单一的政策。我们注意到，公共研发支出的相对下降，可能会阻碍关键的成本削减和电力领域的深度脱碳，并将新材料从实验室推向市场。通过研究，我们发现了与通过研发增加专利投入相关的重要价值，而推动这项研究的一种方法是通过政府支出，从而实现能源储能系统成本的大幅削减。目前锂电池材料的多样性表明，与太阳能光伏或风机不同的是，在储能技术方面需要新材料的发展，以达到100美元/kWh的目标。
专利活动和研发支出继续压低了电化学电池存储技术的价格。我们的两因素学习曲线预测了2019年的一个转折点，当时预测的价格突破了100美元/kWh的门槛，与目前的预测和研究相矛盾。两因素学习曲线上的牢固关系表明，美国的研发可以通过投资开发新电池材料来进一步降低成本。设计一种部署战略将降低电网和交通部门的整体成本，这些部门占总二氧化碳排放总量的60%以上。因此，评价新技术的关键仍然是通过材料的选择来提高安全性、能量密度和成本。促进软边创新和商业模式的新研究将加速将电化学储能整合到公共市场。进一步的政府支持是必要的，以促进负责任的研发支出，使太阳能、风能和储能的成本大幅降低，同时也减少了电力和运输。美国有机会成为一个领导者，而不是一个落后的国家，在电池储能制造和发展方面。我们发现研发支出是推动创新的有力指标。因此，在能源研究领域的研发支出的增加将促进一套多样化的储能技术和材料科学的进步。
博士点评
本文分上下两部分：上半部分利用双因子学习曲线模型分析近三十年锂电池价格和年度产量、累计产量以及专利活动之间的关系，得出年度产量以及专利活动对锂电池成本降低具有显著影响的结论;下半部分利用双因子曲线模型预测未来储能设备的价格走势，强调了储能研发投入对降低储能成本的积极作用，并讨论了未来几年储能成本降至100美元/千瓦时以下所需的相关条件，包括探索新型储能材料，平衡储能研发与部署等。
1、大规模可再生能源的并网必然会需要足够量的储能设备的部署及精细化管理。全面综合地解决此问题，需要科研领域内的学科交叉(材料、能源、信息等领域)，工业界的生产创新，政府的积极扶持，以及三者之间不断的相互迭代。
2、当储能设备成本降低至一定阈值之下后，储能加可再生能源的组合将对传统能源的配置与使用产生根本性影响，并推进生产生活工具的转型与更新换代，如新型电动汽车/交通工具、新型供暖通风空调系统、新型照明系统等。
3、储能设备的持续投入和使用将会促进电能交易与电力市场改革，并刺激电力系统朝着高效、低碳的方向进化。电力市场及电力系统结构均会从集中式转向分布式甚至分散式。
4、储能设备将作为未来能源互联网系统及多能互补系统的必备组件，参与到发电、输电、用电、能量转化各个环节。
从企业前景来看，储能行业是多学科融合的朝阳行业。储能方向硬件相关企业盈利的重要因素在于新型、低成本、高性能储能设备的研制，储能方向软件相关企业盈利的重要因素在于准确预测、精确计算以及精细控制。
