电池的下一步是什么

每年，世界越来越依赖电池运行。到 2022 年，电动汽车将占全球汽车销量的 10%，并且有望在本十年末达到 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和电动汽车购买激励措施注入数十亿美元。欧盟和美国几个州从 2035 年开始禁止使用燃气动力汽车。 

这一转变将需要大量电池——而且是更好、更便宜的电池。 

如今，大多数电动汽车均由锂离子电池供电，这是一项已有数十年历史的技术，也用于笔记本电脑和手机。这些年的发展帮助降低了价格并提高了性能，因此今天的电动汽车正在接近汽油动力汽车的价格，并且每次充电可以行驶数百英里。锂离子电池也正在寻找新的应用，包括电网电力存储，有助于平衡风能和太阳能等间歇性可再生能源。 

但仍有很大的改进空间。学术实验室和公司都在寻找改进技术的方法——提高容量、加快充电时间和降低成本。我们的目标是生产更便宜的电池，为电网提供廉价的存储，并允许电动汽车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标准锂离子化学物质的替代品。 

随着电动汽车和可再生能源需求的飙升以及电池开发的爆炸式增长，有一点是肯定的：电池将在向可再生能源的过渡中发挥关键作用。以下是 2023 年的预期。

彻底的反思

一些截然不同的电动汽车电池方法可能会在 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。

今年值得关注的一项进展是所谓的固态电池。锂离子电池和相关化学物质使用液体电解质来传输电荷；固态电池用陶瓷或其他固体材料代替这种液体。 

这种交换释放了将更多能量装入更小空间的可能性，从而有可能提高电动汽车的续航里程。固态电池还可以更快地移动电荷，这意味着充电时间更短。由于电解质中使用的一些溶剂可能是易燃的，固态电池的支持者表示，它们通过降低火灾风险来提高安全性。 

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一种新型电池最终可以使电动汽车像汽油汽车一样方便且便宜。

固态电池可以使用多种化学物质，但商业化的主要候选者使用锂金属。例如， Quantumscape专注于这项技术，并在 2020 年上市之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，可以在 2025 年将其电池安装到汽车中。  

但事实证明，完全重新发明电池是很困难的，而且锂金属电池也面临着随着时间的推移而退化的担忧，以及制造方面的挑战。Quantumscape于12月下旬宣布，已向汽车合作伙伴交付样品进行测试，这是固态电池进入汽车道路上的一个重要里程碑。其他固态电池厂商，如Solid Power，也在致力于制造和测试他们的电池。不过，尽管他们今年也可能实现重大里程碑，但他们的电池到 2023 年将不会应用于道路上的车辆。 

固态电池并不是唯一值得关注的新技术。钠离子电池也与当今常见的锂离子电池截然不同。这些电池的设计与锂离子电池类似，包括液体电解质，但它们不依赖锂，而是使用钠作为主要化学成分。据报道，中国电池巨头宁德时代计划于 2023 年开始量产。 

钠离子电池可能不会提高性能，但可以降低成本，因为它们依赖比锂离子电池更便宜、更广泛使用的材料。但目前尚不清楚这些电池是否能够满足电动汽车续航里程和充电时间的需求，这就是为什么几家追求该技术的公司（例如美国的 Natron）将目标瞄准要求较低的应用，例如固定存储或微型移动设备例如电动自行车和踏板车。 

能源研究公司 BloombergNEF 储能主管Yayoi Sekine表示，如今，用于固定电网存储的电池市场规模很小，约为电动汽车电池市场规模的十分之一。但随着更多可再生能源的安装，对电力存储的需求也在增长，因为风能和太阳能等主要可再生能源是可变的，而电池可以帮助在需要时存储能量。 

锂离子电池并不是固定存储的理想选择，尽管它们如今已普遍用于固定存储。虽然电动汽车电池变得越来越小、越来越轻、速度越来越快，但固定存储的主要目标是降低成本。对于网格存储来说，尺寸和重量并不那么重要，这意味着不同的化学物质可能会胜出。 

固定存储领域的一颗冉冉升起的新星是铁，而两位参与者可能会在来年看到进步。Form Energy正在开发一种铁空气电池，该电池使用水基电解质，基本上通过可逆生锈来储存能量。该公司最近宣布在西弗吉尼亚州韦尔顿投资 7.6 亿美元建造一座制造工厂，计划于 2023 年开始建设。另一家公司ESS正在制造一种采用类似化学成分的不同类型的铁电池；该公司已开始在俄勒冈州威尔逊维尔的总部进行生产。

标准内的变化

锂离子电池不断变得更好、更便宜，但研究人员正在进一步调整该技术，以实现更高的性能和更低的成本。

部分动机来自电池材料的价格波动，这可能会促使公司改变化学成分。“这是一场成本游戏，”关根说。

阴极通常是电池中最昂贵的部件之一，一种称为 NMC（镍锰钴）的阴极是当今电动汽车电池的主要品种。但除了锂之外，这三种元素都很昂贵，因此削减部分或全部元素可能有助于降低成本。 

今年可能是一种替代方案的突破之年：磷酸铁锂（LFP），一种有时用于锂离子电池的低成本阴极材料。 

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芯片行业的下一步是什么

美国激进的新政策将在 2023 年接受考验。它们最终可能会导致全球半导体行业的分裂。

最近 LFP 化学和制造方面的改进有助于提高这些电池的性能，公司正在转向采用该技术：LFP 市场份额正在快速增长，从 2018 年占全球电动汽车市场的约 10% 增加到 2022 年的约 40%。特斯拉已经在一些车辆中使用磷酸铁锂电池，福特和大众等汽车制造商也宣布他们计划开始提供一些采用这种化学物质的电动汽车车型。

尽管电池研究往往集中在阴极化学物质上，但阳极也将进行改造。

当今锂离子电池中的大多数阳极，无论其阴极构成如何，都使用石墨来容纳锂离子。但硅等替代品可以帮助提高能量密度并加快充电速度。

多年来，硅阳极一直是研究的主题，但从历史上看，它们的使用寿命不够长，无法在产品中使用。不过现在，公司开始扩大这种材料的生产。

2021 年，初创公司 Sila 开始生产用于可穿戴健身设备电池的硅阳极。该公司最近获得了能源部1 亿美元的拨款，用于帮助在华盛顿州摩西湖建设制造工厂。该工厂将为 Sila 与梅赛德斯-奔驰的合作伙伴关系提供服务，预计从 2025 年开始生产电动汽车电池材料。

其他初创公司正在致力于将硅和石墨混合在一起作为阳极。与通用汽车合作的OneD Battery Sciences和Sionic Energy今年可能会采取更多措施实现商业化。  

政策塑造产品

2022 年底通过的《通货膨胀削减法案》为气候和清洁能源拨出了近 3700 亿美元的资金，其中包括数十亿美元用于电动汽车和电池制造。“每个人都对 IRA 有自己的想法，”麻省理工学院的材料研究员、多家电池公司的创始人蒋业明 (Yet-Ming Jiang)说。

IRA 将向美国电池制造商提供贷款和赠款，以提高产能。此外，法律中的电动汽车税收抵免鼓励汽车制造商在美国或其自由贸易伙伴处采购电池材料，并在北美生产电池。由于爱尔兰共和军的资金和电动汽车税收抵免限制，汽车制造商将继续宣布在美国建立新的制造能力，并寻找新的材料采购方式。

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电池回收设施内部

电池材料很快就会出现供不应求的情况。Redwood Materials 等回收设施可以帮助填补这一空白。

所有这些都意味着对锂离子电池关键成分（包括锂、钴和镍）的需求将会越来越大。IRA 激励措施的一个可能结果是，人们对电池回收的兴趣已经日益浓厚。虽然短期内不会有足够的电动汽车上路来满足一些关键材料的需求，但回收利用已开始升温。

宁德时代和其他中国公司在电池回收方面处于领先地位，但该行业今年在北美和欧洲等其他主要电动汽车市场可能会出现显着增长。总部位于内华达州的Redwood Materials和总部位于多伦多的Li-Cycle正在建设设施，并致力于分离和纯化锂和镍等关键电池金属，以便在电池中重复使用。 

Li-Cycle 将于 2023 年开始调试其主要回收设施。Redwood Materials 已开始在内华达州里诺市郊外的工厂生产其第一个产品——铜箔，并最近宣布计划从今年开始在查尔斯顿建造第二个工厂， 南卡罗来纳。

随着 IRA 和世界各地其他政策的大量资金刺激了对电动汽车及其电池的需求，2023 年将是值得关注的一年。