电池技术的进步使其与氢燃料电池相比更具吸引力。

在最近一次由Mission Hydrogen主办的网络研讨会上，德国乌尔姆-卡尔斯鲁厄电化学储能中心（CELEST）主任马克西米利安·菲希特纳指出，氢燃料在与电池电动（BE）技术在车辆和设备领域竞争时面临诸多障碍。这些障碍包括生命周期温室气体（GHG）排放、供应链能源效率以及每公里成本。

为了进一步解释氢能倡导者们面临的挑战，菲希特纳谈到了车辆和移动设备电池的各种技术进步。

锂离子电池发展趋势

谈到众所周知的锂离子电池，他说：“自 1991 年上市以来，其能量密度提高了四倍，成本下降了 18 倍。”

菲希特纳引用了材料研究学会2015年12月出版的《MRS公报》的数据，该数据显示锂离子电池的重量能量密度从1991年的约75 Wh/kg增长到2015年的约250 Wh/kg。同样的数据显示，成本从1995年的3000多美元/千瓦时下降到2015年的约400美元/千瓦时。

菲希特纳补充说，仅在过去 10 年里，锂离子电池的成本就下降了 90%，而且这种下降趋势还在继续。

提高可持续性

菲希特纳认为，正是这些发展对电池行业的创新产生了重大影响。其中之一就与可持续性有关。

菲希特纳表示：“过去，我们一直致力于研发更好的电池——更高的能量、更快的充电速度、更高的安全性、更长的使用寿命——这意味着我们一直在寻找更好的材料并开发更好的电池设计。与此同时，由于电池种类繁多，前景广阔，我们需要将这一切建立在可持续材料的基础之上。”

菲希特纳表示，世界上许多地方正在开发基于无毒原材料且可回收利用的可持续电池——这一发展意味着全新的电池类型。

阴极化学

菲希特纳表示，首先，最初用于制造电池阴极的氧化钴（CoO2）形式的钴已被逐步淘汰。

锂离子电池类型示意图，图中显示了镍、锰和钴的含量。（图片：mino21 via Adobe Stock）

“手机里还有，有时候笔记本电脑里也有，”他说。“如果你想制造大型电池，这不是个好主意，因为成本高昂、有毒，尤其是在采矿条件下，而且可能引发一些严重的安全问题。”

美国疾病控制与预防中心的有毒物质门户网站指出，大量接触钴可能对人体有害。该网站还援引世界各地机构的说法，称钴很可能是致癌物。

此外，提出电池护照概念的全球电池联盟网站上的信息显示，刚果民主共和国的钴矿与童工和其他侵犯人权的行为有关。

菲希特纳表示，为了摆脱钴，电池制造商已经使用镍和锰作为部分替代品，制造出镍/锰/钴氧化物 (NMC) 化合物，这些化合物通常与锂结合用于电池制造。

“第一步是只剩下三分之一的钴，”菲希特纳说，他指的是通常被称为 NMC 111 的成分。“然后剩下 20%（NMC 622），然后剩下 10%（NMC 811）。”

菲希特纳表示，自2020年以来，已经推出了一些完全不含钴的阴极材料配方。这些配方包括磷酸铁锂（LFP）、使用镍锰的所谓NMX层状氧化物阴极以及锰酸锂（LMO）阴极。

不断发展的负极材料

电池负极材料也发生了类似的变化。菲希特纳表示，虽然石油焦和天然石墨过去和现在都在使用，但合成石墨已经开始崭露头角。

“合成石墨的出现是因为天然石墨主要产自中国，而我们希望实现自主生产，”菲希特纳说。

他还补充说，未来纯碳很可能会被硅部分取代。

“硅与锂形成合金，其容量是锂的10倍，”菲希特纳说。“然而，硅会发生热胀冷缩，因此不能以纯净形式使用。但可以将其制成复合材料，从而将电池容量提高40%。”

电池单元改进

电池化学的这些变化也使得改进电池单元设计成为可能。

菲希特纳说：“我们发现，几十年来几乎一成不变的电池经典结构是可以改变的。”

一种方法是完全去除阳极，因为菲希特纳表示，阳极的储能容量相对较低，却占用大量空间。菲希特纳说，这种被称为“无阳极”或“零过剩”电池的装置，将锂直接放置在铜集流体上，形成锂金属。

菲希特纳表示：“在实验室规模上，首批电池的能量密度已经达到710或712瓦时/千克。”他补充说，这大约是目前市面上锂离子电池能量密度（340至350瓦时/千克）的两倍。虽然目前还没有公司将这项技术商业化，但菲希特纳表示，一家中国公司——台兰新能源——声称正在研发这项技术。

菲希特纳说：“有趣的是，如果你把这种电芯放到我们目前使用的常规电池设计中——用这种电芯替换我们现有的电池——你的续航里程将达到 1900 公里。”

他还补充说，三星正在研发一种新的电池设计，该设计借鉴了零过剩阳极技术，并将其与所谓的电芯到电池包设计相结合。

菲希特纳表示：“这些电池的设计和封装效率更高。如果将两者结合起来，他们声称能达到500瓦时/千克。这比目前最先进的电池容量高出两倍。充电9分钟即可行驶900公里。他们声称提供20年质保，而且不含任何易燃液体。他们表示目前正在电池汽车上进行测试，并计划从2027年开始量产。”

单元到包装设计

关于电池组技术的出现，菲希特纳解释说，如今的电池通常包含 12 个模块，每个模块包含 12 个电池单元，每个电池单元的大小与一块大巧克力棒差不多。

用于典型电动汽车的锂离子电池模块。（图片：IM Imagery via Adobe Stock）

菲希特纳说：“问题在于这种装置，这种结构，只包含25%到30%的活性存储材料。其余的都是包装、容器、电线之类的东西。”

菲希特纳说，一些中国制造商开始通过大幅增大单个单元格的尺寸来解决这个问题，“不是巧克力棒那么大，而是像一块木板那么大”。由此便产生了单元格到包装的设计。

他说：“这种电池单元宽1.2米，只需卡入框架即可，无需复杂的布线。这样一来，电池内部的活性材料空间就增加了约30%。同时，制造这种电池所需的零件数量也减少了40%。”

菲希特纳补充说，这种更节省空间的设计使得使用其他电池材料成为可能，例如磷酸铁锂电池（LFP），而这些材料在目前的电池组配置中有时并不理想。

这种新型的电芯到电池组一体化设计于2020年被中国汽车制造商比亚迪采用，其续航里程可达600公里。中国的吉利也推出了一款采用这种电池组设计的汽车，续航里程可达1000公里。

氢能面临与纯电动汽车竞争的挑战。最近，Mission Hydrogen 举办了一场网络研讨会，旨在评估氢能与最新电池技术竞争所面临的挑战。