新任美国总统拜登设定的目标是到2035年实现电网完全脱碳,锂电池仍是当今最受欢迎的电池存储选择。面对全球缺锂,几乎每一块锂电池都要用在有重量要求的汽车里,谁能干掉标准锂电池技术,占领储能行业的半壁江山?想和锂电抢生意的技术还真不少,不过都在酝酿之中,不是技术本身存在问题,就是量产可行性有待论证,因此真正能与锂电池技术抗衡的又是凤毛麟角了。

近来,一种不用锂材料而使用锌材料,且能够基本上使用标准锂电池工艺设备的技术浮出水面,让人们对其前景高看了一眼。研发者对其前景充满信心,言之凿凿地要以此开创出一片储能新天地。

锂电仍是能量密度之王

不言而喻,锂电池控制着全球90%以上的电网电池存储市场,锂电池已成为应对气候变化的重要技术,也是持续改进电动汽车(EV)和可再生能量储存装置的关键技术。

然而,锂电池的供应链正受到制约。分析师预计,未来十年锂会出现短缺。原材料产量不足以满足这上述市场的迫切需求,通过对技术采用的预测和矿商的投资进行比较,可以看出锂离子电池的供应链很快就会受到很大限制。随着世界各国政府加快向电动汽车和可再生能源过渡的立法,这种短缺将变得更加严重。因此,市场迫切需要新的电池技术来解决锂短缺问题。

锂在元素周期表上的地位几乎奠定了其能量密度之王的地位。一方面,锂在可再生能量储存方面使用寿命成本很低,优势显而易见;另一方面,电动汽车对轻型电池的需求意味着锂不太可能被取代。不过,锂电池的安全风险使得它不适合在人们的家庭和企业中放置大量电池组的市场,特别是在一些消防条例禁止使用锂电池的地方。为此,非锂电池在可再生能源储能方面取得成功的可能性要大得多。接下来的问题是,什么技术能够在能量储存方面击败锂电池,同时能够以气候变化所要求的速度进行扩展?

过去几十年里,许多研究机构和公司都试图制造新的储能电池,但没有人真正成功。即使是那些已经走出实验室的技术,锂电池制造成本的快速下降也令其黯然失色。

锂电池自有其特殊性

我们先看看锂电池是如何制造的。锂电池被称为插层(intercalation)电池,相同的锂离子在阳极和阴极都发生反应,并通过液体电解质在两者之间流动。当电池放电时,石墨阳极在阴极吸收锂离子的同时向电解液中释放锂离子;充电时过程相反。

重要的是,电解液不需要储存大量离子,它只需要充当电极之间的导管。大多数其他电池化学不使用插层,而是取决于每个电极与电解液的反应。这意味着它们通常需要大量的电解质来储存反应物。锂电池只需要极少量的电解液,因此非常紧凑。

锂电池的另一个关键特性是它能够在少量材料中储存大量能量。这意味着锂离子电极可以用相对较薄的活性材料涂层(即每个电极上发生反应的材料)制成,电极总厚度小于0．1毫米。这与铅酸电池形成了对比,铅酸电池的电极有好几毫米厚。在大功率应用中,使用薄涂层可以获得更高的能源效率和更好的性能。

低电解液体积和薄电极这两个特性的结合推动了锂电池的制造过程。电极是通过在薄金属基底上涂上薄涂层制成的。这些薄涂层允许在连续的卷到卷生产过程中相当快速地涂敷和在线干燥。

隔膜可以做得很薄,因为它不需要储存多余的电解液,在电极(通常)缠绕在一起并放入电池槽之前,将其放置在电极之间。电解液在被密封之前注入电池,并被送去进行初始循环。这是一个精心控制的循环,名为“形成循环”,会在电芯内引起反应,从而保证其寿命。

锂离子电池制造需要一种新的化学,即必须能够在两个电极的少量活性物质中储存大量能量。没有这一点,薄锂离子型电极与支撑它所需的金属基板和隔膜相比,产生的能量就会很量。这些非活性成分的成本相当可观,约占锂电池材料成本的三分之一。除非电池化学能在少量材料中储存类似的大量能量,否则非活性成分的成本将令使用薄锂离子型电极变得无法实现。

第二个要求是使用少量电解液的能力。电解液量大就要求使用较厚的隔膜,并限制了在给定尺寸的电池容器中可以存储的能量。虽然这对成本的影响不如活性材料能量密度那么明显,但它仍然是一个重要的考虑因素。

满足上述要求的电池化学制品很少,在满足市场要求的成本和性能要求的同时满足这些要求的就更少。

对标锂电池的新突破

不管是什么技术,大家都在对标市场上最流行的锂电池,能够满足其所有要求,才能有更大的发展潜力。

加拿大初创能源公司Salient Energy的首席执行官Ryan Brown表示,全球对锂电池的依赖以及锂电池关键金属的相对稀缺将使能源转型面临风险,除非能以千兆规模生产更廉价的替代品。而他的公司正在开发的锌离子电池将比锂电池更便宜、更安全、更耐用,而且生产设备与近年来推动锂电池价格大幅下降的制造设备相同。

这位28岁的企业家说:“我们必须重建整个世界的电网,使其与可再生能源兼容。我们必须将世界电网的规模扩大一倍或三倍,以实现电动汽车和(绿色)氢能源。想想所需电池的数量吧,锂电池无法满足。我说的全球缺锂,意思是每一块锂电池都将用于汽车。因为那才是需要低重量的地方。”

他补充说:“凡是除了汽车的地方,我们都可以使用更重的电池,比如锌离子电池。”这类市场包括住宅、商业和工业储能及船只,在这些市场,重量不是问题,但安全至关重要。

美国想要去锂化

Brown表示:对于西方国家“也存在供应链安全问题。中国不仅锂矿丰富,所有锂加工也都在中国进行,而此时国际关系正变得紧张。从目前情况来看,世界清洁技术的雄心壮志取决于与中国的关系。这似乎是一种风险。”

为了建立一个能够支持强大储能行业的国内供应链,美国需要在电池加工材料和制造电池方面摆脱对中国的依赖。事实上,中国生产了世界上大部分的电池,同时生产了更多的电池材料。为了实现美国两党共同的目标,建立一个强大的国内电池产业,美国试图利用创新超越标准锂电池来建立新的设计,以利用在北美采购的材料。

拜登设定了到2035年实现电网完全脱碳的目标。最近的贸易战凸显了美中长期贸易关系中的风险。疫情大流行进一步表明了依赖全球供应链对关键基础设施构成的风险。除了这两个风险,电池需求的快速增长还没有得到同样快速的采矿和原材料加工投资的满足。多数行业分析师预计,到本世纪中叶,关键锂离子材料将普遍短缺。

新的电池技术可以增强美国的气候野心。为了增强国内电池供应链的能力,拜登政府有可能确定能够达到或超过锂离子电池性能的替代品,同时使用廉价且国内丰富的材料。

锂电池是为高度便携的应用而设计的,非常适合汽车应用,但对于电网所需的固定储能来说,它的价值并不太高。加州州长Gavin Newsom称,将于2035年前禁售新燃油动力汽车和卡车,锂电池对这一目标至关重要。美国几乎没有锂矿开采,将锂加工成电池级化学品也同样受到限制。

向可再生能源过渡需要全球生产的电池数量远远大于目前的数量级。现有技术将无法完成这项任务。铅酸电池使用寿命短,不适用于需要数十年应用的场合。尽管锂离子电池目前正在解决这个问题,但其所依赖的原材料太稀缺,无法实现全球变暖现实所要求的广泛而迅速的转变。其他新兴技术在某些关键方面都失败了,比如速度太慢,无法满足功率需求,或者体积太大,无法满足成本要求。

锌离子电池很可能就是一种很有前途的替代品。锌如此便宜和丰富,通常被用来制造硬币。锌离子电池中使用的另一种材料是锰,同样廉价且丰富。与锂电池所用的材料不同,这两种材料在北美的产量都足以支撑美国的气候需要。由于锌离子电池是水基电池,因此具有完全安全的额外优点,意味着它将能够在锂离子电池采用受到安全限制的市场。这种安全、低成本、持久耐用的锂离子电池替代品可以通过安全的国内供应链轻松构建。另一个好处是在制造工艺方面可以快速且低成本扩展。

此锌非彼锌,替代技术剑指特斯拉

Salient Energy首席技术官Brian Adams介绍说,其专利技术是利用锌离子电池化学开发的,其中包括锌阳极,pH中性硫酸锌电解质和基于锰氧化物的阴极。水基电解液意味着电池不会着火,而锌和锰这两种原材料的稀缺程度远低于锂、钴和镍,而锂、钴和镍都是标准锂电池所需要的。

利用这一技术的模块化电池提供了与锂电池非常相似的性能,而一旦技术规模扩大,最终将可降低30-50%的存储成本(LCOS)。因为与标准锂电池提供的10年寿命相比,它们的寿命将更长——15至20年。

Brown说:“如果你看看特斯拉(去年9月)的电池日,马斯克说,大部分成本收益都来自制造业和规模经济,但特斯拉发现,材料成本是最大的组成部分,这方面成本并没有降低。因此,拥有一款材料成本低得多的电池,对于下一波的成本降低是令人兴奋的。”

Brown承认,锌基电池已经存在了几十年,但他说,该公司的锌离子技术是第一个与锂电池工作原理相同的技术——充电和放电时间为4小时,电池组大小相同。他说:“它的运作方式非常相似,重要的是,它的构建方式是一样的。这就产生了一种和锂电池一样容易制造的电池,但它使用的材料基本上是廉价、安全和丰富的。从系统集成商的角度来看,当我们把它封装在一个设备中时,它基本上与锂电池没有区别。它比较重,但对于我们所追求的市场来说,它占据了同样的空间,所以感觉是一样的。”

到目前为止,Salient的锌离子电池是唯一一种可以采用锂离子电池的制造工艺的非锂技术,为可再生能量储存提供一个有吸引力的解决方案,特别是它的兼容性以及其他优势。它和锂电池一样是通过插层来实现功能的。锌离子通过水基电解液在两个电极之间移动发生反应。在放电过程中,阳极上的锌金属以锌离子的形式溶解在电解液中。同时,锌离子被电解质吸收到阴极中。这个过程在充电过程中是相反的。

据介绍,Salient的锌离子电池拥有几个竞争优势:

锌离子电池符合锂离子电池兼容性的条件。插层的使用意味着电解液的唯一功能是作为离子的导管,得以使用少量的离子。此外,锌离子电池中使用的活性材料具有非常高的能量密度,即使在薄电极中也能储存足够高的能量。

锌离子电池还可以改善锂电池的制造工艺。锂与水的强烈反应性要求其许多生产步骤必须在高度受控的大气中进行,这使得锂的生产过程更加昂贵和复杂。作为一种水基电池,锌离子电池没有这个限制。

锌离子电池不需要形成循环。这意味着他们可以更快地从生产线转移到客户手中。这种利用锂离子电池的制造能力意味着锌离子电池的生产可以迅速而廉价地扩大规模。

全新的锌电池解决了之前锌电池面临的三个关键问题:可充电性、能量密度和功率能力。虽然其他锌电池在其中一个或两个参数上表现出色,但Salient锌离子电池是唯一一种能够同时提供这三个参数的技术。

不是为了赚钱

到目前为止,Salient Energy的资金来源于高净值人士、加拿大政府和石油巨头壳牌公司的游戏规则改变者(GameChanger)计划。这家总部位于新斯科舍省的公司已经有了建设试点工厂的资金,并且正在考虑在不久的将来开始一轮融资。

不过,要想压低锂电池的价格,Salient必须扩大技术规模,建立自己的巨型工厂,以实现所需的规模经济,Brown希望在本世纪后半叶实现这一目标。

该公司今年将在新斯科舍省哈利法克斯开始建设一个试点制造工厂,于2022年投入运营。然后,它计划吸引足够的资本,在2024年底前建造“几百兆瓦时的工厂”。

Brown说,他预计规模相对较小的第一家工厂生产的电池会比锂电池贵50-100%,但在“注重安全的利基市场,我们可以收取额外费用”。

“一旦我们的这些模块在现场运行,并证明我们能够制造出这样的模块,我们就可以获得10多亿美元的资金来建造一座巨型工厂,那么我们将开始在成本上击败锂电池,”他补充道。他希望最终在每个大洲都有一家大型工厂开业。

他也表示,如果出现不同机会,公司将考虑其他商业计划。比如“如果我们有一个好的电池制造合作伙伴,它希望能获得许可,并能加快我们技术的采用,我们会这么做。”

Brown说,他的工作重点是应对气候变化,而不是赚钱,如果能够让锌离子电池更快进入市场,他甚至会考虑出售公司。“比如松下真的很擅长制造电池。他们可能会缩短我们几年的推广时间,让我们更快地开发产品。(如果松下愿意购买)当然我们会同意。我们需要的是技术。”他表示。

干掉标准锂电池,却干不掉锂电设备

虽然相对较新,但锌离子电池已被证明可提供实质性的供应链改善和安全保障。将这些优势与可扩展的制造工艺相结合,将确保锌离子电池在清洁技术的未来发挥重要作用。随着未来产量的增加和规模经济优势,锌离子电池将成为锂电池的低成本替代品。再加上使用寿命长,这将使锌离子电池的存储成本远低于目前锂电池的存储成本。

虽然锌离子电池有望成为固定式储能的默认选择,但对于中国为主的锂电行业来说,并非都是坏消息。如Brown所说,锌离子技术优势还包括“我们可以从中国廉价买到所有的设备。那么我们的材料成本大约是(锂离子电池)的一半,因此我们的成本潜力比锂电池更好。”可以看到,任何锂电池的替代品都需要采用标准的制造工艺,才能实现快速、低成本的规模扩张。

与此同时,中国的企业在把锂电池销售到世界各地之时,还需要未雨绸缪,探索用更少的锂及其他稀有金属来生产更高效的电池,才能与后来虎视眈眈的技术抗衡,让自己不落下风。

消灭锂离子是不是只是一个时间问题?行业必须考虑!