向可再生能源過(guò)渡需要全球生產(chǎn)的電池?cái)?shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目前的數(shù)量級(jí)?，F(xiàn)有技術(shù)將無(wú)法完成這項(xiàng)任務(wù)。鉛酸電池使用壽命短，不適用于需要數(shù)十年應(yīng)用的場(chǎng)合。盡管鋰離子電池目前正在解決這個(gè)問(wèn)題，但其所依賴的原材料太稀缺，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全球變暖現(xiàn)實(shí)所要求的廣泛而迅速的轉(zhuǎn)變。鋅離子電池，或許是一個(gè)真正的解決方案。

新任美國(guó)總統(tǒng)拜登設(shè)定的目標(biāo)是到2035年實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)完全脫碳，鋰電池仍是當(dāng)今最受歡迎的電池存儲(chǔ)選擇。面對(duì)全球缺鋰，幾乎每一塊鋰電池都要用在有重量要求的汽車?yán)?，誰(shuí)能干掉標(biāo)準(zhǔn)鋰電池技術(shù)，占領(lǐng)儲(chǔ)能行業(yè)的半壁江山？想和鋰電搶生意的技術(shù)還真不少，不過(guò)都在醞釀之中，不是技術(shù)本身存在問(wèn)題，就是量產(chǎn)可行性有待論證，因此真正能與鋰電池技術(shù)抗衡的又是鳳毛麟角了。

近來(lái)，一種不用鋰材料而使用鋅材料，且能夠基本上使用標(biāo)準(zhǔn)鋰電池工藝設(shè)備的技術(shù)浮出水面，讓人們對(duì)其前景高看了一眼。研發(fā)者對(duì)其前景充滿信心，言之鑿鑿地要以此開(kāi)創(chuàng)出一片儲(chǔ)能新天地。

圖：Salient Energy首席技術(shù)官Brian Adams展示鋅離子電池

鋰電仍是能量密度之王

不言而喻，鋰電池控制著全球90%以上的電網(wǎng)電池存儲(chǔ)市場(chǎng)，鋰電池已成為應(yīng)對(duì)氣候變化的重要技術(shù)，也是持續(xù)改進(jìn)電動(dòng)汽車（EV）和可再生能量?jī)?chǔ)存裝置的關(guān)鍵技術(shù)。

然而，鋰電池的供應(yīng)鏈正受到制約。分析師預(yù)計(jì)，未來(lái)十年鋰會(huì)出現(xiàn)短缺。原材料產(chǎn)量不足以滿足這上述市場(chǎng)的迫切需求，通過(guò)對(duì)技術(shù)采用的預(yù)測(cè)和礦商的投資進(jìn)行比較，可以看出鋰離子電池的供應(yīng)鏈很快就會(huì)受到很大限制。隨著世界各國(guó)政府加快向電動(dòng)汽車和可再生能源過(guò)渡的立法，這種短缺將變得更加嚴(yán)重。因此，市場(chǎng)迫切需要新的電池技術(shù)來(lái)解決鋰短缺問(wèn)題。

鋰在元素周期表上的地位幾乎奠定了其能量密度之王的地位。一方面，鋰在可再生能量?jī)?chǔ)存方面使用壽命成本很低，優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)；另一方面，電動(dòng)汽車對(duì)輕型電池的需求意味著鋰不太可能被取代。不過(guò)，鋰電池的安全風(fēng)險(xiǎn)使得它不適合在人們的家庭和企業(yè)中放置大量電池組的市場(chǎng)，特別是在一些消防條例禁止使用鋰電池的地方。為此，非鋰電池在可再生能源儲(chǔ)能方面取得成功的可能性要大得多。接下來(lái)的問(wèn)題是，什么技術(shù)能夠在能量?jī)?chǔ)存方面擊敗鋰電池，同時(shí)能夠以氣候變化所要求的速度進(jìn)行擴(kuò)展？

過(guò)去幾十年里，許多研究機(jī)構(gòu)和公司都試圖制造新的儲(chǔ)能電池，但沒(méi)有人真正成功。即使是那些已經(jīng)走出實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)，鋰電池制造成本的快速下降也令其黯然失色。

鋰電池自有其特殊性

我們先看看鋰電池是如何制造的。鋰電池被稱為插層（intercalation）電池，相同的鋰離子在陽(yáng)極和陰極都發(fā)生反應(yīng)，并通過(guò)液體電解質(zhì)在兩者之間流動(dòng)。當(dāng)電池放電時(shí)，石墨陽(yáng)極在陰極吸收鋰離子的同時(shí)向電解液中釋放鋰離子；充電時(shí)過(guò)程相反。

重要的是，電解液不需要儲(chǔ)存大量離子，它只需要充當(dāng)電極之間的導(dǎo)管。大多數(shù)其他電池化學(xué)不使用插層，而是取決于每個(gè)電極與電解液的反應(yīng)。這意味著它們通常需要大量的電解質(zhì)來(lái)儲(chǔ)存反應(yīng)物。鋰電池只需要極少量的電解液，因此非常緊湊。

鋰電池的另一個(gè)關(guān)鍵特性是它能夠在少量材料中儲(chǔ)存大量能量。這意味著鋰離子電極可以用相對(duì)較薄的活性材料涂層（即每個(gè)電極上發(fā)生反應(yīng)的材料）制成，電極總厚度小于0.1毫米。這與鉛酸電池形成了對(duì)比，鉛酸電池的電極有好幾毫米厚。在大功率應(yīng)用中，使用薄涂層可以獲得更高的能源效率和更好的性能。

低電解液體積和薄電極這兩個(gè)特性的結(jié)合推動(dòng)了鋰電池的制造過(guò)程。電極是通過(guò)在薄金屬基底上涂上薄涂層制成的。這些薄涂層允許在連續(xù)的卷到卷生產(chǎn)過(guò)程中相當(dāng)快速地涂敷和在線干燥。

隔膜可以做得很薄，因?yàn)樗恍枰獌?chǔ)存多余的電解液，在電極（通常）纏繞在一起并放入電池槽之前，將其放置在電極之間。電解液在被密封之前注入電池，并被送去進(jìn)行初始循環(huán)。這是一個(gè)精心控制的循環(huán)，名為“形成循環(huán)”，會(huì)在電芯內(nèi)引起反應(yīng)，從而保證其壽命。

鋰離子電池制造需要一種新的化學(xué)，即必須能夠在兩個(gè)電極的少量活性物質(zhì)中儲(chǔ)存大量能量。沒(méi)有這一點(diǎn)，薄鋰離子型電極與支撐它所需的金屬基板和隔膜相比，產(chǎn)生的能量就會(huì)很量。這些非活性成分的成本相當(dāng)可觀，約占鋰電池材料成本的三分之一。除非電池化學(xué)能在少量材料中儲(chǔ)存類似的大量能量，否則非活性成分的成本將令使用薄鋰離子型電極變得無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

第二個(gè)要求是使用少量電解液的能力。電解液量大就要求使用較厚的隔膜，并限制了在給定尺寸的電池容器中可以存儲(chǔ)的能量。雖然這對(duì)成本的影響不如活性材料能量密度那么明顯，但它仍然是一個(gè)重要的考慮因素。

滿足上述要求的電池化學(xué)制品很少，在滿足市場(chǎng)要求的成本和性能要求的同時(shí)滿足這些要求的就更少。

對(duì)標(biāo)鋰電池的新突破

不管是什么技術(shù)，大家都在對(duì)標(biāo)市場(chǎng)上最流行的鋰電池，能夠滿足其所有要求，才能有更大的發(fā)展?jié)摿Α?

加拿大初創(chuàng)能源公司Salient Energy的首席執(zhí)行官Ryan Brown表示，全球?qū)︿囯姵氐囊蕾囈约颁囯姵仃P(guān)鍵金屬的相對(duì)稀缺將使能源轉(zhuǎn)型面臨風(fēng)險(xiǎn)，除非能以千兆規(guī)模生產(chǎn)更廉價(jià)的替代品。而他的公司正在開(kāi)發(fā)的鋅離子電池將比鋰電池更便宜、更安全、更耐用，而且生產(chǎn)設(shè)備與近年來(lái)推動(dòng)鋰電池價(jià)格大幅下降的制造設(shè)備相同。

圖：Ryan Brown

這位28歲的企業(yè)家說(shuō)：“我們必須重建整個(gè)世界的電網(wǎng)，使其與可再生能源兼容。我們必須將世界電網(wǎng)的規(guī)模擴(kuò)大一倍或三倍，以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車和（綠色）氫能源。想想所需電池的數(shù)量吧，鋰電池?zé)o法滿足。我說(shuō)的全球缺鋰，意思是每一塊鋰電池都將用于汽車。因?yàn)槟遣攀切枰椭亓康牡胤??！?

他補(bǔ)充說(shuō)：“凡是除了汽車的地方，我們都可以使用更重的電池，比如鋅離子電池?！边@類市場(chǎng)包括住宅、商業(yè)和工業(yè)儲(chǔ)能及船只，在這些市場(chǎng)，重量不是問(wèn)題，但安全至關(guān)重要。

美國(guó)想要去鋰化

Brown表示：對(duì)于西方國(guó)家“也存在供應(yīng)鏈安全問(wèn)題。中國(guó)不僅鋰礦豐富，所有鋰加工也都在中國(guó)進(jìn)行，而此時(shí)國(guó)際關(guān)系正變得緊張。從目前情況來(lái)看，世界清潔技術(shù)的雄心壯志取決于與中國(guó)的關(guān)系。這似乎是一種風(fēng)險(xiǎn)。”

為了建立一個(gè)能夠支持強(qiáng)大儲(chǔ)能行業(yè)的國(guó)內(nèi)供應(yīng)鏈，美國(guó)需要在電池加工材料和制造電池方面擺脫對(duì)中國(guó)的依賴。事實(shí)上，中國(guó)生產(chǎn)了世界上大部分的電池，同時(shí)生產(chǎn)了更多的電池材料。為了實(shí)現(xiàn)美國(guó)兩黨共同的目標(biāo)，建立一個(gè)強(qiáng)大的國(guó)內(nèi)電池產(chǎn)業(yè)，美國(guó)試圖利用創(chuàng)新超越標(biāo)準(zhǔn)鋰電池來(lái)建立新的設(shè)計(jì)，以利用在北美采購(gòu)的材料。

拜登設(shè)定了到2035年實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)完全脫碳的目標(biāo)。最近的貿(mào)易戰(zhàn)凸顯了美中長(zhǎng)期貿(mào)易關(guān)系中的風(fēng)險(xiǎn)。疫情大流行進(jìn)一步表明了依賴全球供應(yīng)鏈對(duì)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)成的風(fēng)險(xiǎn)。除了這兩個(gè)風(fēng)險(xiǎn)，電池需求的快速增長(zhǎng)還沒(méi)有得到同樣快速的采礦和原材料加工投資的滿足。多數(shù)行業(yè)分析師預(yù)計(jì)，到本世紀(jì)中葉，關(guān)鍵鋰離子材料將普遍短缺。

新的電池技術(shù)可以增強(qiáng)美國(guó)的氣候野心。為了增強(qiáng)國(guó)內(nèi)電池供應(yīng)鏈的能力，拜登政府有可能確定能夠達(dá)到或超過(guò)鋰離子電池性能的替代品，同時(shí)使用廉價(jià)且國(guó)內(nèi)豐富的材料。

鋰電池是為高度便攜的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，非常適合汽車應(yīng)用，但對(duì)于電網(wǎng)所需的固定儲(chǔ)能來(lái)說(shuō)，它的價(jià)值并不太高。加州州長(zhǎng)Gavin Newsom稱，將于2035年前禁售新燃油動(dòng)力汽車和卡車，鋰電池對(duì)這一目標(biāo)至關(guān)重要。美國(guó)幾乎沒(méi)有鋰礦開(kāi)采，將鋰加工成電池級(jí)化學(xué)品也同樣受到限制。

圖：投資者將7000萬(wàn)美元投資于比爾?蓋茨支持的150小時(shí)電池初創(chuàng)企業(yè)Form Energy，技術(shù)沒(méi)有透露，只是說(shuō)所有使用的材料都是廉價(jià)、豐富和安全的

向可再生能源過(guò)渡需要全球生產(chǎn)的電池?cái)?shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目前的數(shù)量級(jí)?，F(xiàn)有技術(shù)將無(wú)法完成這項(xiàng)任務(wù)。鉛酸電池使用壽命短，不適用于需要數(shù)十年應(yīng)用的場(chǎng)合。盡管鋰離子電池目前正在解決這個(gè)問(wèn)題，但其所依賴的原材料太稀缺，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全球變暖現(xiàn)實(shí)所要求的廣泛而迅速的轉(zhuǎn)變。其他新興技術(shù)在某些關(guān)鍵方面都失敗了，比如速度太慢，無(wú)法滿足功率需求，或者體積太大，無(wú)法滿足成本要求。

圖：加拿大初創(chuàng)企業(yè)Zinc8 Energy Storage實(shí)驗(yàn)室的混合流（hybrid flow）電池可以使風(fēng)力或太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)成為基本負(fù)荷，試圖改變公用事業(yè)規(guī)模的儲(chǔ)能市場(chǎng)

鋅離子電池很可能就是一種很有前途的替代品。鋅如此便宜和豐富，通常被用來(lái)制造硬幣。鋅離子電池中使用的另一種材料是錳，同樣廉價(jià)且豐富。與鋰電池所用的材料不同，這兩種材料在北美的產(chǎn)量都足以支撐美國(guó)的氣候需要。由于鋅離子電池是水基電池，因此具有完全安全的額外優(yōu)點(diǎn)，意味著它將能夠在鋰離子電池采用受到安全限制的市場(chǎng)。這種安全、低成本、持久耐用的鋰離子電池替代品可以通過(guò)安全的國(guó)內(nèi)供應(yīng)鏈輕松構(gòu)建。另一個(gè)好處是在制造工藝方面可以快速且低成本擴(kuò)展。