锰:电动汽车开拓大众市场背后的秘密?

云脑智库 2022-09-29 00:00

这种丰富的过渡金属可能实现全球主流汽车的电气化。

多汽车生产商都在迫不及待地向全世界推销电动汽车,但他们面临的挑战可能会导致工程师的创新成果付之东流,因为电池和合乎道德的电池生产原材料供应极其紧张。
特斯拉和大众汽车等汽车生产商认为可将储量丰富、元素周期表上的第25号元素锰(位于铬和铁之间)作为制造电池的最新金属材料,生产主流买家能够负担得起的电动汽车。
2010年新出的日产聆风是第一辆(也是至今为止,唯一的一辆)使用高锰电池的电动汽车,尽管其历程令人沮丧,但行业对电池“来者不拒”,改进后的高锰电池也许能有一席之地,比如它的价格中等,或许可作为富镍电池和为奢侈品牌汽车及高性能汽车提供动力的磷酸铁锂电池之间的选择。
2022年3月,在特斯拉柏林格兰登堡超级工厂的开业典礼上,当被问到对电池中的石墨烯的看法时,埃隆•马斯克的反应引起了轰动,他说:“我认为锰基电池很有潜力。”
在原材料方面,马斯克强调正在持续发展的行业将从钴转向镍:“我们需要几千万吨,最终甚至可能需要几亿吨材料。因此用于生产电池的材料必需是普通材料,否则无法实现规模化。”
2021年3月,大众汽车公布了多用途“标准电芯”,这是2030年建成可实现总容量2400亿瓦时的超级工厂计划的一部分。标准电芯适合使用多种化学物质,采用了标准棱柱设计。大众汽车的首席执行官赫尔伯特•蒂艾斯(Herbert Diess)当时说,大约80%的大众新型棱柱电池将摒弃昂贵的镍和钴,转而采用价格低廉、更丰富的阴极材料,其中可能包括锰。
那么,为什么电池有这么多混合搭配和阴极材料?为什么要用锰?这完全是因为马斯克和其他专家提到的加速电动汽车革命逼近的限制因素:电池生产及其原材料的开采和加工的滞后率。
在柏林,马斯克表示,要实现从化石燃料汽车到电动汽车的全面过渡,全球将需要300万亿瓦时的电动汽车电池储量。这是特斯拉预计的2030年产能的十几倍,而且这一预估是在其自身产能大幅扩张的前提下做出的。虽然富镍电池具有前所未有的高能量密度和性能,但仅靠富镍电池无法实现该目标,我们还需要其他材料;通过合乎道德的、多样化的、不间断的渠道获取这些材料,对成功地扩大生产是至关重要的。哪怕化学反应采用锰或磷酸铁锂(目前电动汽车喜爱的)生产电池是一些折中的结果,事实也是如此。
锰具有储量丰富、安全、稳定的特点,随着电动汽车电池产能提升,它将成为一种很有前景的候选阴极材料。但它从未接近富镍电池的能量密度或寿命期,美国阿贡国家实验室储能科学合作中心的负责人文卡特•斯里尼瓦桑(Venkat Srinivasan)提醒道。早期日产聆风的买家可能会对此表示赞同。在2011年,当时没有供应商有意愿或有能力规模供应电池,日产被迫自己制造了锂锰氧化物电池,分子立体方格很像“尖晶石”。这种电池组能量贫乏,存储容量仅有24千瓦时,续航里程仅为135公里。这种糟糕的存储容量和续航里程还会很快退化,特别是在美国西南部和其他炎热地区,独留车主愤愤难平。(虽然日产避开了电池温度管理系统,但也于事无补。)2014年,一款采用改进锰化学反应的“蜥蜴”电池仍然仅有24千瓦时的容量,而且寿命依然很短。
尽管如此,锰依然在竞争成为电动汽车电池金属,因为高性能竞争对手钴不仅价格不菲,而且主要产自刚果民主共和国,涉嫌雇用矿场童工和其他侵犯人权的行为。低钴电池一直是行业对这些供应链问题的回应。
另一种流行的阴极材料是镍,虽然镍的供应比刚果民主共和国的钴多样化,却难免受地缘政治问题的影响。2022年2月俄乌冲突发生之前,全球的镍储备就已经下降。俄罗斯生产的高纯度镍占全球的17%,来自俄罗斯的金属供应可能被禁止或中断,投资人和贸易商对此感到坐立不安。今年3月,镍的价格在一夜之间翻倍,首次达到了每吨10万美元,导致伦敦金属交易所在暴涨期间暂停了交易。
基于商品价格、政治、道德、安全、供应短缺、长期战略和期货保值等多方面的考虑,行业正在着手实施多元化战略,找到一个融合型的解决方案。或者至少等到未来某个诺贝尔奖获得者提出能完全取代锂离子的方法。
“大家都在考虑镍和钴的替代品,以及如何回收这些物质。”斯里尼瓦桑说。
我最近首次在通用悍马电动汽车上测试了来自通用汽车和LG新能源的袋装Ultium电池,这种电池使用了一种镍钴锰铝化学材料,钴的含量降低了约70%。新一代悍马配备了200千瓦时的双堆夹层电池(该电池的尺寸是特斯拉最大电池的2倍),采用三引擎推进,1000马力,续航里程529公里,在“瓦特到自由”(WTF)模式下,百公里加速只需3秒。其电池是目前为止安装在电动汽车中的最大的电池,其重量为1326公斤,而悍马的整备质量为4111公斤。(随着通用汽车在底特律加速大规模生产,悍马将独自创造巨大的电池存储需求。)
通用汽车的电池仅使用了少量的锰来稳定电池结构,并未将其作为主要阴极材料。
有些变化无常的汽车制造商,甚至连镍也看不上了,而是转向了磷酸铁锂(LFP)这种化学成分。这种电池化学成分是20世纪90年代发明的,它不需要镍或钴,只需要充足的铁和磷酸盐,很久以来一直被认为是一种过时的材料,最近则有所改变。马斯克已经确认,在入门级汽车(包括特斯拉Model 3)或能源存储中,将“长期转向”使用磷酸铁锂。
特斯拉和大众汽车所关注的高锰电池使用的镍也将更少,且完全不使用钴。这种电池的价格看起来很实惠。伦敦罗斯基尔信息服务公司的分析师表示,与富镍电池设计相比,锂镍锰氧化物能够将阴极每千瓦时的成本降低47%。因此,大众汽车经仔细考虑,将锰作为主流车型的潜在选择,将磷酸铁锂电池用于低端车型,定制的高性能电池用于保时捷、奥迪、宾利或兰博基尼等品牌。
斯里尼瓦桑说:“我可以理解这个逻辑,如果能实现合理的能量密度,锰会成为介于(高端和低端)两者之间的选择。”汽车制造商可能会将锰降低的阴极成本转移到略微扩大电池,使其续航能力与富镍电池相近。
2020年,在特斯拉的“电池日”,马斯克表达了对这种矿物材料的乐观看法:“用2/3的镍和1/3的锰制造阴极材料是一种简单直接的方法,这样用同样数量的镍可以增加50%的电池容量。”
马斯克仍在努力将大尺寸的4680圆柱电池推向市场,但目前远远落后于计划,专家警告称,技术挑战并非易事。高锰电池尚未展示出其商业可行性。
但这项挑战规模宏大,汽车制造商和电池生产商不得不在实验室潜心研究,在地球上寻找像泥土一样普通,而不是像金子那样珍贵的材料。 
作者:Lawrence Ulrich
云脑智库 努力是一种生活态度,与年龄无关!专注搬运、分享、发表雷达、卫通、通信、化合物半导体等技术应用、行业调研、前沿技术探索!专注相控阵、太赫兹、微波光子、光学等前沿技术学习、分享
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