自从工程师 Martin Eberhard在圣莫尼卡机场机库向一群投资者、记者和潜在买家展示他的未来派定制跑车以来，已经过去了 16 年。Roadster，正如它的名字一样，包含了大量的创新工程，但最重要的莫过于其后舱内装有 6,831 个锂离子电池，这些电池赋予了车辆续航里程和速度。“电池系统是我们 0-60 英里/小时四秒加速背后的秘密，”艾伯哈德当时解释道。

艾伯哈德和他的合作者马克·塔彭宁 (Marc Tarpenning) 以尼古拉·特斯拉 (Nikola Tesla) 的名字命名了他们的新电动汽车公司，两年后，即 2008 年，特斯拉成为第一款进入汽车市场的商业化生产的锂离子动力汽车。锂离子电池是镍氢电池的一大进步，镍氢电池一直为大多数混合动力和电动汽车（包括广受欢迎的普锐斯）提供动力。锂具有更好的能量密度，这意味着锂离子电池每公斤可存储的电量比镍氢电池多三分之一，这意味着它们的使用寿命更长且重量更轻。

但锂电池仍然存在严重的缺陷。它依赖进口的关键矿物——不仅是锂，还包括钴、铜、石墨和镍——这些矿物是通过侵入山脉或将稀缺的沙漠地下水抽入池塘而获得的，然后等待水蒸发并留下矿物。刚果民主共和国生产的钴占世界总量的 70% 以上，其生产方式通常是在不安全的工作条件下剥削童工。其他矿物来自美国希望与其放松经济联系的国家，其中包括俄罗斯和中国。俄罗斯提供了全球日益减少的镍储量的 20%，而中国几乎供应了国际上电动汽车电池中使用的所有石墨。

 

到 2029 年，只有 80% 的矿物源自美国或其盟国的电动汽车才有资格获得全额税收抵免。

“我们不一定有能力获得一些矿物，除非我们去那些被定义为不可接受的地方，”电气化联盟的执行董事本·普罗查兹卡说，该联盟是一个致力于使交通运输摆脱化石燃料的非营利组织。很快，我们可能根本无法获得某些矿物：例如，中国威胁要为自己庞大的电池工业保留石墨；市场分析师预测，到 2030 年，全球对锂的需求将超过供应。“我们必须找到一种不同的电池制造方法，”Prochazka 说。

随着州和联邦的指令和激励措施推动汽车公司在其车队中优先考虑电池驱动的汽车，而波动的汽油价格促使更多的消费者转向零排放交通，汽车制造商和电池公司正在争先恐后地这样做。他们正在努力开发不同的电池制造方法，同时降低成本、提高能量密度（这意味着更长的行驶里程），并让该行业摆脱美国政府所谓的“受关注的外国实体”。

用国内矿物替代所谓冲突矿物的电池已经从研究和开发阶段进入测试阶段；一种减少钴含量、转而使用镍、锰和铝的电池已经投入商业生产；几家公司正在研发固态电池，这种电池不使用潜在的易燃液体，并且在美国建立专门从事电池制造的超级工厂的计划比比皆是。

两项新联邦法律的通过，即《2022 年通货膨胀削减法案》(IRA) 和《2021 年基础设施投资和就业法案》，预计将推动该行业向前发展。自 2009 年底以来，美国已向大多数新型电动汽车的购买者提供 7,500 美元的税收抵免；但从 2023 年开始，爱尔兰共和军将税收抵免与关键矿物采购和电池制造的某些要求联系起来。到 2029 年，只有 80% 的矿物源自美国或其盟国且 100% 的零部件在北美制造或组装的电动汽车才有资格获得全额抵免。

总而言之，这些法案将改变电动汽车电池行业并推动创新，就像美国复苏和再投资法案在 2010 年代所做的那样，当时特斯拉获得了 4.65 亿美元的联邦贷款，以完成其 Modern S 轿车的开发并开设工厂在加利福尼亚州弗里蒙特。普罗查兹卡说，如果钴和镍很难获得，那么“让我们制造使用更少钴或不使用钴的电池。或者让我们制造使用更少镍的电池。” Prochazka 补充道，中国精炼了电池制造商使用的几乎所有矿物，“所以现在我们将在美国拥有加工设施”。 上个月，总部位于内华达州的松下能源公司宣布，将于 2025 年开始利用美国回收的镍生产电动汽车电池。那个状态。

通用汽车电动汽车和能源政策高级策略师迈克尔·马腾表示，无论国会是否采取行动，这种变化都会到来。2021 年，当通用汽车首席执行官玛丽·巴拉 (Mary Barra) 承诺到 2035 年实现 100% 电动化时，马滕表示，“我们说的第一句话是，‘天啊，我们将需要大量电池。’”这导致了认真审视供应链，并“共同努力建设陆上或近岸供应链，以确保其可持续发展”。现在，他说，“我们几乎每个月都会聘请另一个合作伙伴来确保”关键矿产的安全。

 

您可以将我们的电池视为法式浸液。电解质渗透到整个物体中。

马滕说，失败不是一种选择。“我们正在将拥有 100 年历史的内燃机业务转变为全电动汽车业务。我们希望确保我们还能再活 100 年。”

在视频通话中，Lyten（一家总部位于圣何塞的公司，专门生产电池复合材料）的分析总监 George Liddle 举起一张边缘朝外的纸。“这是二维石墨烯，”他说，其结构类似于平放的足球网，“只是纳米形式。” 然后里德尔把纸揉成一团。“如果你这样做，你最终会得到 3D 石墨烯，它的反应性、电气性和化学性是平面石墨烯的 1000 倍”。

Lyten 最初是一项商业活动，从油田收集废弃甲烷，将其转化为惰性碳，并将其封存在地下深处。“事实证明，经济学对此根本不起作用，”里德尔告诉我。当一名研究人员发现从碳中提取的石墨烯可以用作新型电池中锂和硫之间的缓冲剂时，该公司将业务转向电池。

“硫磺的潜在能量储存量大约是镍、锰或钴的四倍，”利德尔说，“而且它确实非常便宜——它是石化作业的副产品。” 石油钻探者成吨地把它送给别人。从来没有人制造过具有商业应用的锂硫电池（尽管有些人已经尝试过），这足以说明做到这一点有多么困难。当电池内的电池充电然后放电时，锂与硫结合并以锂离子的形式释放。在每次循环中，该化合物都会经历一系列复杂的化学转化，直到锂和硫都不再保持可用状态。“电池循环大约 100 次后就耗尽了，”Liddle 解释道，“因为它基本上是在自我中毒。”

现在，里德尔模仿着将一种物质——硫磺——插入到团状纸的空间中，这是石墨烯的替代品。“事实证明，如果将硫深深地嵌入石墨烯的纳米缝隙中，就会迫使锂硫转化为锂和硫，”他说。石墨烯将两种化学物质分开，因此硫原子和锂离子不会损坏电池。

电池可以被认为是一个三明治：带正电的阴极和带负电的阳极围绕着电解质，电解质将离子从一侧传递到另一侧。电解质几乎总是粘性有机溶剂。Lyten 电池中的电池具有所有这些组件，但结构略有不同。“你可以把我们的电池想象成法式浸液，”利德尔说。“电解质渗透到整个物体中。”

 

福特和梅赛德斯-奔驰与电池制造商建立了合作伙伴关系，共同探索固态技术。

相比之下，固态电池根本不使用电解质，而是将其替换为具有相同功能的聚合物或陶瓷，但没有有机溶剂的易燃风险。与配备锂离子电池的电动汽车相比，汽油动力汽车更容易起火，也更频繁。但锂离子电池特别容易受到“热失控”现象的影响，即燃烧的电池散发热量的速度不能快于产生热量的速度。佛罗里达州的消防员在飓风伊恩风暴潮后，被盐水浸湿的特斯拉起火后了解到，扑灭化学火灾需要大量的水，是扑灭汽油车火灾所需的水量的 40 倍。

包括福特和梅赛德斯-奔驰在内的少数汽车制造商与电池制造商建立了合作伙伴关系，以探索固态技术。Factorial Energy 即将在马萨诸塞州 Methuen 开设一家新工厂，预计将在 2028 年至 2030 年期间推出固态电动汽车电池。

国家可再生能源实验室首席储能工程师艾哈迈德·佩萨兰 (Ahmad Pesaran) 解释说，大多数电池使用液体电解质是有充分理由的。流体可以流入每个空白空间以保持阳极和阴极之间的接触。然而，要使固体电解质发挥作用，“你必须拥有能够融合在一起的非常好的表面，”佩萨兰说。这些材料还需要承受压力而不破裂——这对于某些固态应用中使用的脆性陶瓷来说是一项艰巨的任务。

 

事实上，一些专家表示，电池研究人员更有可能在硅阳极商业化方面取得成功，而不是完善固态技术。硅的能量密度可能是石墨（通常用于锂离子电池）的两倍，而且用途更广泛。（硅的原料是沙子。）可以使用硅阳极电池短短几年内。主要挑战是硅在充电和放电时容易膨胀。美国能源部技术开发经理布莱恩·坎宁安 (Brian Cunningham) 表示：“如果达到最大容量，体积会发生近 300% 的变化，这会对整个结构产生很大的机械应变。”电池不太可能经受住商用车所需的充放电循环。“我们正在设计解决方案来减轻压力和压力，”他说。

通用汽车公司的马滕表示，比争论尖端技术更好的办法是简单地研究哪些材料能够以最低的成本储存最多的能量，并且无需为了镍而破坏印度尼西亚沿海村庄或依赖独裁政权即可获得。锂离子电池的价格波动较大，但目前其成本约为 每千瓦时 150 美元。为了与汽油发动机的成本持平，该价格必须至少降至每千瓦时 100 美元，尽管一些汽车制造商的目标是每千瓦时 60 美元。有很多方法可以到达那里，但没有人知道什么时候会发生。“所有这一切在很大程度上仍处于实验室环境中，”马滕说。

 

美国 97% 的镍储量都位于美国原住民社区 35 英里范围内。

美国能源部的坎宁安表示，在现实世界中，购买汽车的人将是电池技术成功与否的最终仲裁者。重要的是制造出一种电池，其续航里程和加速性能将超越驾驶员的期望，但其成本却会让电动与汽油驱动的争论变得毫无意义。“在某个时刻，我们将达到这个交叉点，即电动汽车比传统汽车更便宜，”他说。他不太关心我们如何实现这一目标——固态、硅或其他一些创新的电池设计。他指出，美国能源部是“化学不可知论者”。

10 月，美国能源部宣布向 20 家公司提供 28 亿美元的赠款，以支持美国关键矿物的生产和加工。针对特定企业的另一轮融资将于 1 月宣布。美国能源部贷款项目办公室主任 Jigar Shah 在面向研究人员和制造商的视频中表示，IRA 向该机构的贷款授权增加了 400 亿美元，以支持先进汽车制造项目。他说：“该计划的目标实际上是在我们国家脱碳的同时，将汽车行业的供应链上岸并重新上岸。” 12 月 12 日，美国能源部向 Ultium Cells 提供了 25 亿美元的贷款 ，Ultium Cells 是通用汽车和 LG Energy Solution 的合资企业，将在美国的三个工厂生产低钴电池。

值得注意的是，仅仅在美国及其盟国内部建立电动汽车供应链并不能使其具有可持续性，至少在生态和公共卫生意义上如此。从技术上讲，智利是一个对美国友好的国家，但阿塔卡马沙漠的锂开采威胁着地下水，并排干了当地社区和野生动物赖以生存的泻湖。美国 97% 的镍储量都位于美洲原住民社区 35 英里范围内，89% 的铜储量也是如此。

即使在南加州的帝王谷，从已经被泵入 11 个地热发电厂的盐水中提取锂，也被誉为对陷入困境的农业社区带来潜在的经济福音，环境正义倡导者也担心潜在的负面影响。帝王谷拥有 179,000 人口，其中 85% 以上是拉丁裔，长期以来，农田飘散的农药和垂死的索尔顿海的空气颗粒物对健康造成了长期影响。锂开采对公共健康的影响仍有待探讨。

加州能源委员会估计，“锂谷”（即帝王谷项目）可满足全球 40% 的锂需求，并且已投资 1650 万美元用于开发该资源。这意味着无论如何，锂产量都可能会继续增长。正如埃隆·马斯克喜欢说的那样，锂确实是新石油。

无论有什么缺点，锂的获取——无论在哪里发现——可能都不会放缓。电气化联盟的普罗查兹卡表示，我们对燃气和柴油发动机的依赖不仅会损害气候和我们的肺部，而且还会构成重大的国家安全风险。“我们每年继续向与我们理念不同的国家出口数十亿美元，”他指出。电池技术可能并非在所有意义上都是良性的，但“我们对​​如何产生电子的控制比我们对从哪里获取石油的控制要大得多”。“交通的未来，”他说，“是电气化。这场争论已经结束了。”

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本文由韩国SEBANG蓄电池（大陆地区）营销中心于2023-07-16 21:23:27 整理发布。
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