盡管三元材料尤其是高鎳正極材料應(yīng)用規(guī)模還遠(yuǎn)沒有達(dá)到頂峰，現(xiàn)在考慮三元材料材料的未來，早嗎？動力電池是我國新能源汽車的發(fā)展的根基。古人有云：先謀后動，動則必成。看一下本文的核心論點(diǎn)：用于動力鋰電池的鈷和鎳資源將在2030年前后將會出現(xiàn)供不應(yīng)求的局面，三元材料發(fā)展必然是不可持續(xù)的；未來新型正極材料必須是優(yōu)于當(dāng)前嵌入型正極材料的一種高潛力材料；硅基材料與新型正極材料適配不僅要提高其能量密度，還要大幅度降低鋰離子電池的成本。電動汽車需要?jiǎng)恿碓?動力蓄電池的比能量、壽命、安全性和價(jià)格，對純電動汽車的發(fā)展至關(guān)重要，而鋰離子電池具有比能量高、自放電低、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，是目前最具實(shí)用價(jià)值的電動汽車電池。經(jīng)過20多年來的科技進(jìn)步，LIBs的性能得到巨大提升。鋰電池包中比能量密度增加了近3倍，從不到200Wh/L增長到超過700Wh/L。生產(chǎn)成本是原來的3%左右，目前可控制生產(chǎn)成本低于150$/kWh。但這仍然高于美國能源部計(jì)劃的100$/kWh的目標(biāo)。當(dāng)前功率在50-100KW.h的動力電池重量約為600公斤，體積也要在500L左右。因?yàn)楝F(xiàn)在的鋰電池的能量密度已經(jīng)接近理論最大值，LIBs的能量密度提升正逐漸變緩。電池市場的快速增長，使LIBs降價(jià)更顯得遙不可及。相反的是，在過去的兩年里，鋰電池產(chǎn)量的激增幾乎使鈷的價(jià)格幾乎翻了兩番，從每千克22美元生到81美元。市場需求的增大和價(jià)格的快速上漲已經(jīng)鼓勵(lì)一些生產(chǎn)商偷工減料，違反環(huán)境和安全法規(guī)。例如，在中國，石墨礦釋放的粉塵已經(jīng)損壞了農(nóng)作物、污染了村莊和飲用水。而在非洲，一些礦主剝削童工，在缺少防毒面具等防護(hù)設(shè)備，手工開采礦石的小型礦山，通常這么做觸犯法律。包括寶馬在內(nèi)的一些公司都制定嚴(yán)格的政策來督促其鈷供應(yīng)商，而其它一些電動車生產(chǎn)廠家并不這樣做。這一切最簡單的解決辦法就是開發(fā)廉價(jià)的常用金屬如鐵和銅的替代類型的電極。在美國亞特蘭大佐治亞理工學(xué)院GlebYushin教授及其同事看來，最有希望的替代電極材料（Conversion-typecathodematerials），如銅或鐵的氟化物或者硅。它們通過化學(xué)方式儲存鋰，但這項(xiàng)技術(shù)仍處于早期階段。要實(shí)際應(yīng)用必須克服穩(wěn)定性、充電速度和制造方面的問題。GlebYushin教授呼吁材料科學(xué)家、工程師和資助機(jī)構(gòu)優(yōu)先研究和開發(fā)基于豐富元素的電極。否則，電動汽車的推廣將在十年內(nèi)遭受重創(chuàng)。鎳和鈷稀缺且昂貴當(dāng)前電動汽車的商用電池中，鋰離子被束縛在組成電極的晶體中的微小空隙中（這些被稱為插層電極）。負(fù)極通常由石墨制成，正極則由金屬氧化物構(gòu)成。常見的三元正極材料包括鎳鈷鋁氧化物（NCA，例如LiNi0.8Co0.15Al0.05O2）或鎳鈷錳氧化物（NCM，例如LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2或LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2）。100kg的鋰離子動力電池正極材料通常需要6~12kg的鈷和36~48kg的鎳。而鈷通常是銅和鎳開采的副產(chǎn)品，也需要復(fù)雜的工藝與其它金屬分離，大多數(shù)礦床僅含有0.003%的鈷金屬，很少有鈷礦藏集中到值得開采的程度。于是盡管地球上存儲的1015噸鈷中，只有107噸可以利用。同樣，全球1015噸鎳儲量中也只有108噸具有商業(yè)開采價(jià)值。未來電池材料的出路幾何？答案是用常規(guī)金屬（鐵、銅）來生產(chǎn)鋰離子電池正極材料。例如鐵不僅價(jià)格低廉（低至6美分/kg）而且儲量豐富（760億噸）。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的富鐵材料（LiFePO4）和富錳材料（LiMnO2或LiMn2O4）在使用中都有各種各樣的缺陷，因此最有希望的替代方案是在電極中使用替換正極材料。銅/鐵氟化物和硅可與鋰離子化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)鋰的存儲，可以容納比標(biāo)準(zhǔn)正極多六倍的能量。轉(zhuǎn)換型正極材料的機(jī)理：它的電化學(xué)轉(zhuǎn)換反應(yīng)是一種不同于傳統(tǒng)的鋰離子嵌入/脫出反應(yīng)的新型儲鋰機(jī)制。反應(yīng)過程中有多個(gè)電子轉(zhuǎn)移，因此基于電化學(xué)轉(zhuǎn)換反應(yīng)機(jī)理的電極材料都具備非常高的理論比容量。這類電極材料主要由過渡金屬的氧化物、硫化物或者氟化物等幾種類型,其中過渡金屬氟化物由于其較強(qiáng)的離子鍵而具備較高的工作電位,比較適合做鋰離子電池的正極材料。其中硅基材料非常適合與之搭配。一旦這兩種材料的成功運(yùn)用，為電動汽車提供動力的電池可以減少一半，同時(shí)成本，重量和體積將減少一半甚至更多。但要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，電池研究者們需要研發(fā)高性能氟化物材料和更有效的電解質(zhì)。工程師需要努力開發(fā)使用這些材料的設(shè)備和工藝。除此之外，轉(zhuǎn)換型材料制備的電池還有一些缺點(diǎn)，例如電導(dǎo)率低，倍率性能不佳；轉(zhuǎn)換材料與電解液的副反應(yīng)嚴(yán)重；正、負(fù)極SEI膜形成較厚，有電壓滯后現(xiàn)象；電極充電后膨脹收縮比較嚴(yán)重。先謀后動替換型材料簡介與嵌入型材料電極相比，充放電過程中轉(zhuǎn)換型材料和Li結(jié)合前后會發(fā)生斷鍵和成鍵。Li進(jìn)而進(jìn)入FeF2后，F(xiàn)e-F鍵斷裂后，Li與F重現(xiàn)鍵合生成LiF（TypeA）。[2]圖4.綠色標(biāo)示元素用在嵌入型材料中；藍(lán)色標(biāo)示元素用在替換材料中；橘黃色標(biāo)示材料可以在二者中都用。每一種元素內(nèi)所包含信息是圖內(nèi)示例所示：第1行代表元素種類，第2行代表元素在地殼中的豐富程度，第3行代表該金屬或者元素在過去五年平均價(jià)格，第4和第5行分別代表該元素對環(huán)境