交通運輸新興技術案例集/電動汽車電池發展

最早的保時捷之一是 1889 年製造的電動汽車 (EV)。儘管該車效能為 21 英里/小時，續航里程為 49 英里，但電動汽車並沒有超越汽油車。保時捷的電池重達 1,110 磅，而且當時沒有充電基礎設施。 它未能佔領市場是因為能源來源並不豐富。如今，社會已經接受電動汽車作為減少溫室氣體 (GHG)（如 CO₂）的潛在解決方案。我們現在正在討論為電動汽車提供公共空間以在城市街道上停車時充電的太陽能充電站的優點。關於電動汽車承諾的討論的核心是電池。本案例研究專門討論了電動汽車電池技術的進步及其與廣泛使用相關的政治、環境和基礎設施障礙。

參與者列表

1. 消費者 - 電動汽車 (EV) 的所有者/運營商。
2. 電池製造商 - Gigafactory（特斯拉）、Brownstown 電池組裝廠（通用汽車）、Rockwood Holdings
3. 電動汽車製造商 - 特斯拉、通用汽車、寶馬、梅賽德斯、保時捷、豐田、沃爾沃、日產、福特
4. 國家公路交通安全管理局 (NHTSA) - “NHTSA 由 1970 年公路安全法案設立，致力於實現機動車和公路安全領域的最高卓越標準。它每天都在努力幫助預防事故及其伴隨的人員和經濟損失。”
5. 採礦業 - Sociedad Quimica y Minera (SQM)、Western Lithium、Lithium Americas、FMC Corp、Talison Lithium Ltd.、Rockwood Holdings
6. 華爾街 - 鋰在期貨市場上作為商品交易。
7. 主要鋰生產國 - 智利、中國、玻利維亞、美國、澳大利亞、阿根廷、葡萄牙、巴西、辛巴威、俄羅斯

術語

1. 續航里程焦慮 - 消費者基於車輛單次充電可行駛的有限距離對購買電動汽車的恐懼。
2. 標準化 - 充電裝置和電池組設計的通用規格。
3. 礦物提取 - 鋰、鈉、鋅、銅、鈷
4. 氧化/還原 - 電池中產生電流的一種化學反應。
5. 電解質 - 通常是含有鈉、鋰、鋅、氧、硫等帶正電和負電礦物質的水溶液。該溶液往往具有很強的腐蝕性，對有機組織有害。
6. 交流電 - 交流電
7. 直流電 - 直流電
8. 快速充電 - 通常是指需要 240 伏插座的 30-90 分鐘充電週期。
9. 千瓦時 (kWh) - 能量使用和生產的計量單位。
10. 觸電保護 - 對車輛接地以防止觸電。
11. 電動汽車充電 - 電動汽車充電分為三種類別：住宅、工作和公共。建設此類基礎設施的成本很高。
12. HEV - 混合動力電動汽車，如豐田普銳斯，不插電到電網。
13. PEV/PHEV - “插電式電動汽車 (PEV)，包括電池電動汽車 (BEV) 和插電式混合動力電動汽車 (PHEV)。這些車輛的共同特徵是它們的電池透過插接到電網來充電。BEV 與 PHEV 不同，因為它們只依靠儲存在電池中的電力執行（即沒有其他電源）；PHEV 具有內燃機，可以補充電力傳動系統。”
14. SAE - 汽車工程師協會
15. 記憶效應 - 當電池放電或充電不當時產生的效應，其中電池停止正常放電並給出不正確的電壓讀數，導致完全充電變得不穩定。長期以來人們認為鋰離子電池不受此影響，但最近在鋰離子電池中發現了一種微小的效應。
16. FMVSS - 聯邦機動車安全標準由 NHTSA 監管。

政策問題

環境問題

電動汽車將影響對天然氣和煤炭等產生 CO2 的來源的電力生產的需求增加。可能需要考慮替代電力來源。核能的成本可能超過其效益，而風能和太陽能等可再生能源尚未發展到足以滿足未來的需求。此外，它們都因資源的可用性而存在生產缺口。

經濟和基礎設施問題

將需要替代的收入來源來彌補由於 PHEV 和 PEV 造成的公路信託基金的損失。“華盛頓和弗吉尼亞州已徵收特殊的註冊費。” 電動汽車普及帶來的其他問題包括為電動汽車充電基礎設施提供資金的成本，而電動汽車充電基礎設施對於最佳化電力在高峰時段的可用性至關重要。充電裝置需要放置在住宅、工作場所和公共區域，包括停車場和路面感應充電帶。已經確定了許多實施這些措施的策略，以滿足電動汽車不斷增長的能源需求。

電動汽車電池標準的國際協調

鋰和其他有毒物質運輸的安全標準已經存在很長時間。電池組安裝後的標準化要求是另一回事。現有的標準因地區而異。事故發生時暴露於電解質和有毒物質以及對緊急人員和車禍受害者造成電擊都是值得關注的問題。此外，“充電基礎設施的標準化對於標準化充電基礎設施的眾多組成部分至關重要。快速充電器的多種插頭以及各種充電網路的支付方式缺乏標準化尤其成問題。”

敘述

電動汽車電池型別

鋰電池

現代可充電電池通常是鋰離子電池。這些電池的特點是電壓高、能量容量高、放電率高、汙染少、安全性高（因為電池中沒有重金屬）、迴圈壽命長（對於主要的電動汽車品種LiNiMnCoO2，大約可以充放電1000-2000次，具體取決於充電深度和溫度）、自放電率低、記憶效應極低以及充電速度快。^[8]

鋰空氣電池

鋰空氣電池具有增強儲能的潛力，可以消除電動汽車續航里程焦慮。它們可以是水性的（在這種情況下可以是酸性的或鹼性的），也可以是非水性的。對於電動汽車來說，需要非水性電池（主要是出於密度考慮），這將潛在的電化學反應限制在二氧化鋰的形成/分解。它們的能量密度非常高，因為構成陰極反應的材料不是儲存在電池本身中，而是直接從空氣中獲取。潛在的非水性鋰空氣電池可以儲存比現代鋰離子電池多3-5倍的能量，足以行駛300英里，但確保它們的充電能力至關重要；目前許多元件在實際水平上不支援此功能。^[9]

鋰硫電池

鋰硫電池透過將鋰和硫轉化為硫化鋰來工作。它們也具有顯著增強儲能的潛力，估計能量密度超過3000 Wh/kg。然而，放電反應產物往往溶解在常見的液態有機電解質中，並且陰極材料的能力有限。^[10]為此，五硫化二磷可能是一種有希望用作電解質的化合物。^[11]如果在這兩個領域取得改進，主要是這兩個領域，這項技術將變得更加可行。它們比鋰空氣電池技術發展得更遠。^[12]

鈉離子電池（例如鈉硫電池）

鈉離子電池，例如鈉硫電池，最初是為在非常高的溫度下執行的系統而開發的，其明確的目的是確保鈉離子保持溶解在溶液中。^[13]“這樣電極就保持...熔融...，從而電池將電能轉換為化學勢能。”^[14]根據Slater、Lee和Johnson的說法，它們“利用固體陶瓷電解質[，並具有]高能量密度[、長壽命和高效率]”。^[15]但是，儘管鈉的自然丰度很高，導致成本很低，但由於在高溫下執行的成本，它們仍然很貴。最近的研究重點是能夠在環境溫度下和固態環境中執行的型別。^[16]

液流電池

液流電池，或稱氧化還原液流電池，由三個獨立的儲罐組成。兩個儲罐分別盛放氧化還原化合物；這些化合物（電解質）被泵送到第三個儲罐，儲罐中央的介質阻止它們混合。當與介質兩側的兩個電極之一發生反應時，泵送的化學能就會轉化為電能或勢能（分別放電和充電）。它們的主要優勢之一是，用過的電解質液體可以輕鬆更換，而且壽命超過10年。主要問題包括溶解度低；能量密度低；膜並非完全不滲透——導致電解質混合——以及電解質數量穩定性。此外，與其他型別相比，它們需要更多額外的部件（例如泵）。^[17]

電動汽車列表及其續航里程

插電式汽車

環境現實

PHEV、PEV和BEV的廣泛使用有可能減少全球溫室氣體排放。全球約14%的溫室氣體排放歸因於機動車燃燒化石燃料。^[18]隨著電動汽車市場不斷擴大，許多人預計隨著機動車數量下降，溫室氣體排放量也會相應減少。對這些減排效益持懷疑態度的人很快指出，電動汽車帶來的任何減排都將被電動汽車的生產以及電動汽車車隊所需的額外發電量所抵消。能源管理局的一份報告似乎支援了這一點，該報告顯示，PEV可能會使普通家庭的能源需求翻番，範圍從3-19千瓦。^[19]但是，Daniel J. Berger和Andrew D. Jorgensen對該問題進行了更深入的考察，發現問題在於發電設施的型別。研究人員指出，截至2011年，美國約40%的發電量來自燃煤電廠。燃煤發電產生的CO2排放量最高，是主要的溫室氣體。在燃煤發電設施執行的州，PEV的二氧化碳排放量不會淨減少。另一方面，研究表明，這些燃煤州的PHEV車輛能夠實現二氧化碳排放量的淨減少。^[20]假設，因此，燃煤發電設施需要使用清潔煤炭技術來減少二氧化碳排放，或者需要逐步淘汰以實現溫室氣體排放目標。清潔煤炭技術確實存在，但成本高昂，而且本身也有一些環境外部性。這也許是圍繞電動汽車最大的政策問題，因為需要制定法規來強制要求二氧化碳捕獲技術。沒有簡單的答案，二氧化碳排放量較低的替代發電方式，例如風能、太陽能、天然氣和核能，都會對環境產生影響，並且能源生產效率也不同。

鋰基電池在電動汽車中的主導地位呈現出另一種環境現實。它帶來了與任何資源開採行業相關的衝擊，包括社會、地理政治影響。鋰，像所有自然資源一樣，必須開採和加工才能使用。在智利和玻利維亞等地，開採珍貴的鋰（碳酸鋰）形式可能會對水生生態系統造成不可逆轉的影響。^[21]“鹽水”開採過程包括抽乾湖泊以進行疏浚作業，以便收集原礦石，然後通常在現場或在另一個倉庫中進行加工（提純），然後再運送到美國市場。開採過程中使用的工藝導致人們擔心當地社群的環境健康，因為汙染物會進入食物和水供應。這並不是說開採不能安全進行。然而，開採法規因地區而異，在最貧窮的國家可能缺乏監管。

回收鋰和其他電池型別對於電動汽車的長期可持續發展至關重要。鋰電池回收也許是最重要的，因為對它的需求不斷增長。其次，有限的鋰儲備供應了許多其他行業，包括航空、製藥、玻璃以及其他電池密集型技術行業，包括手機和電腦。^[22]一些回收過程與開採對環境的影響類似。清潔和重新利用電池中鋰的過程可能涉及溼法冶金處理或“浸出”，從溶液中提取金屬。^[23]浸出設施往往具有很高的毒性，需要與開採類似的監管。

關於社會地理政治問題，根據美國地質調查局2015年的鋰儲量資訊，世界各地都有其他鋰來源，只是沒有南美洲，特別是玻利維亞的儲量那麼大。^[24]按國家劃分的鋰儲量前幾位包括智利、中國、阿根廷、澳大利亞、葡萄牙、巴西、玻利維亞、葡萄牙、美國、俄羅斯和辛巴威。需要注意的是，俄羅斯是鋰的主要生產國，但沒有公佈儲量。全球儲量總計約1400萬噸。^[25]全球儲量的絕大多數（75%）位於南美洲。與美國相比，中國也擁有大量的儲量。因此，鋰被稱為“新石油”，因為美國是鋰基產品的最大使用者，但與全球相比，其儲量較少。

安全

安全是一個主要問題，因為電動汽車電池的容量很高，無論電池化學成分如何。這種電池的容量遠高於個人電子產品，並且工作在更極端的環境中。美國國家可再生能源實驗室（NREL）指出，“在極端溫度下，可能發生高放電和充電速率……[而且]防火安全是一個主要問題。當設計車輛儲能裝置的安全時，帶有易燃電解質的電池會帶來挑戰……[尤其是]對於PHEV和EV應用，車輛可能在私人住宅和商業場所的封閉車庫內充電。^[26]

NREL 將熱穩定性確定為影響電池安全性的最重要因素，並指出“電池包含氧化劑（陰極）和燃料（陽極 [和] 電解質）...由於爆炸的可能性（其他例子包括高爆炸物和火箭推進劑），很少將燃料和氧化劑混合在一起），這就是充電狀態是重要變數的原因。較低的 SOC [減少了每個電池節點發生氧化還原反應的可能性]...但是，如果允許電極材料在電化學電池中發生化學反應，則燃料和氧化劑會將化學能直接轉化為熱量和氣體。一旦開始，這種化學反應很可能進行到完成...成為熱失控。一旦熱失控開始，就無法抑制或阻止它。^[27]

Liu 等人進一步觀察到電池“預計在沒有主動冷卻的情況下執行...[因此] 熱管理變得更加關鍵，因為表面積/體積比...隨著電池的增大而減小，導致每單位 [不可逆] 熱量產生的熱傳遞率降低”^[28] 由於這些風險，需要進行嚴格的濫用測試，以確保電池設計在這種情況下不會出現故障，無論其被迫執行的條件如何；NREL 進行與“熱 (...穩定性、火災、儲存溫度、充電速率、[等等])...電 (...過充電...短路、過放電、[等等])...[以及] 機械濫用 (...擠壓、穿透、跌落、浸泡、翻滾、振動和機械衝擊”^[29] 之前討論的每種電池型別都存在一些安全問題。例如，液流電池引發了化學處理和洩漏的擔憂，而鋰離子電池由於其可燃性，需要高階監控^[30] 但是，液流電池在安全性方面比其他型別電池有幾個主要優勢；正如 Wang、Li 和 Yang 指出的那樣，“主要成分是液體...並且反應性材料是分開儲存的...由於內部短路的重大災難發生的可能性非常小 [因為] 流動的電解質帶走了氧化還原反應期間產生的熱量...”^[31]

結論

如今，鋰電池在個人電子產品和車輛中佔據主導地位。未來的電池很可能屬於以下幾種型別之一：鋰空氣、鋰硫、鈉離子或所謂的“液流”電池。每種電池都有其優缺點。鋰硫電池能量密度高，但如果陰極（含硫）在化學角度上沒有完全正確地製備，則由於硫化鋰在有機溶劑中的溶解度低以及其他固有現象，容量損失和充電速率將成為主要問題。儘管新增其他化合物（例如五硫化二磷）^[32] 有望解決這些問題，但仍需要進一步的研究來解決這些問題。鈉離子電池從長遠來看具有許多優勢。其中最重要的是，鈉的含量遠遠超過鋰，而且提取過程和產品更環保。^[33] 這意味著開採用於製造電池的資源對生態的影響更小，從而限制了開採製造電池所需資源的數量。它們還具有更長的充電時間，並且如果能夠開發，由於原材料的豐富性，它們的成本可能會大幅下降。然而，鈉離子的尺寸明顯更大，這意味著儘管鈉和鋰反應的化學性質相似，但在反應中移動鈉離子比移動鋰離子要困難得多。目前的研究集中在解決這個問題上。

討論問題

1. 電動汽車電池充電產生的二氧化碳排放量會比目前的水平多還是少？
2. 與電動汽車擴充套件相關的基礎設施成本是多少？
3. 當我們用完鋰後會發生什麼？