推动电池全价值链发展
电池技术不断发展进步，助力全球供应链可持续性发展，提高电力可用性和供电可靠性
简述
- 数据中心数量持续增加，可再生能源发电蓬勃兴起，制造业的用电需求日趋增大，给现有电网带来不小的压力。专家正抓紧研究微电网、电池储能等增强型能源技术，应对间歇性发电和用电高峰问题。
- 过去50年，电池技术发展迅速，得益于便携式电子设备、笔记本电脑的普及，以及最近几年电动汽车的需求激增。
- 当下，锂电池最为常见。研究人员也正在探索性价比更优的替代品，比如钠离子电池。
锂电池
近几十年来，人们的日常生活越来越注重便携性和灵活性，电池产业规模激增。现代锂电池（锂离子）起步较晚，诞生于20世纪90年代，专为消费类电子产品开发。现今，锂电池已成为手机、笔记本电脑等产品的主要部件。
特斯拉联合创始人Martin Eberhard将多块锂电池组装在一起，为电动汽车（EV）提供动力，向前迈出了重要一步。他意识到，改进笔记本电脑的电池技术，就可以生产出更大容量的电池产品，获得更高成本效益。因此，特斯拉和其他电动汽车制造商开始考虑如何整合现有电池供应链。2008款特斯拉旗舰跑车由6831块笔记本锂电池驱动，续航里程长达400 km（250 mi），最高时速可达200 km（130 mi）。
除了电动汽车，气候问题同样推动人们向风能、太阳能、地热等可持续发电技术转型。它们均属于间歇性发电能源，因此，电池储能技术至关重要。现代锂电池越来越多地应用于微电网，作为储能系统，确保电力供应稳定，弥补传统电网供电的不足之处。对于数据中心，以及其他有冗余电源需要的应用尤为重要。
深度分析
将多块笔记本锂电池组装在一起，得到一个容量更大的电池组，成就了第一台现代电动汽车。
锂电池价值链
锂元素从自然开采到终端零售，期间需要经过多道处理工序和流程，包括采矿、提炼、电池制造和运输。所有中间环节都会影响锂电池的价格。大容量锂电池的价格相当昂贵。以特斯拉Model S车型为例，电池组更换费用在8,000至10,000美元之间。
电池价值链主要分成四个阶段：
- 上游：矿工提取锂、钴、锰、磷酸盐、镍、石墨等锂电池制造原料。
- 中游：加工商和矿物精炼厂生产提取电池的阴极和阳极的活性材料，销售商向电池组装公司售卖活性物质。
- 下游：电池制造商组装电池，出售给批发商或代理商。
- 报废：电池回收商选用不同的方法分解废电池的组分，有用材料继续用于新电池生产。
采矿
锂资源主要分布在澳大利亚、阿根廷、玻利维亚和智利。在澳大利亚，大部分锂矿石都是露天开采。Greenbushes矿位于澳大利亚西部，是全球最大的硬岩锂矿，年产价值约56亿美元的锂辉石。
在北美和南美地区，人们从古老盐滩下的盐湖卤水中提取锂。生产商向盐滩下的盐水层钻孔，将水泵入干燥床，干燥床蒸发掉大部分液体，留下锂盐。还可以从干燥床残留浓缩物中提取溴等其他矿物质。
加工和精炼
第二名韩国和第三名日本的电池产量明显低很多。全球15%的正极材料和3%负极材料电极来自韩国，而日本分别占14%和11%。
锂矿石精炼与水泥生产相似，包括碎矿、烧结、碾磨和脱硫工序。通过浸出和过滤去除氧化铝、锰、钙等其他矿物质。直至得到电池级碳酸锂。
制造
电池制造需要组装多块电池，最终整体封装的电池组。主要部件有阴极、阳极和电解质。一般阴极选择锂材料，阳极选择碳材料。每个电池都有壳体和隔板，将电池部件包裹在内，壳体内注满导电性电解质。
阳极和阴极由活性材料、导电剂、粘合剂的混合浆液制成。浆液沉积在薄膜或箔片。箔片被切割、修剪和压光，被两个带压辊压平，放置在电池内，随后进行干燥处理。回收溶剂，方便后续再次利用。
在制作完成后的阳极和阴极间安装隔板。最后往电池壳体内注入凝胶电解质。
©Endress+Hauser
供应链的挑战
同典型供应链挑战相比，电池价值链特点明显，需要严格监管，以保证安全性和可持续性。首先必须谨慎管理供应链，以确保盐湖卤水、矿石和其他必要原材料供应稳定。中国是主要电池生产国，但生产原材料来自世界各地，任意运输中断都会造成严重后果。
锂电池制造过程会产生固体、液体和气体废物排放。可能污染环境，尤其是在环保法规宽松的地区。
锂电池易燃易爆，制造、处置和回收作业必须严格遵守安全操作规范。来路不明的假冒电池可能带来更大风险。
锂电子回收困难。锂电池是公认的危险废物，但制造商可以通过重复使用电池，有效节省能源，消除废旧电池处置带来的不利环境影响。
锂电池生产成本高，因为对原材料有质量要求，强调质量控制，生产工序复杂，有容量要求。比如生产1吨电池级锂原料，需要289吨矿石、750吨卤水，或28吨废锂电池。
深度分析
生产1吨电池级锂原料，需要289吨矿石、750吨卤水，或28吨废锂电池。
研究人员正在探索钠离子电池的应用可行性，以应对上述挑战。钠资源远比锂丰富，更易开采，价格也低得多。同时，钠不易挥发，化学性质更稳定。
人们正在研究通过液态电解质储能的液流电池，主要用于电网储能。液流电池内置两个及两个以上的储液罐，储液罐内注满电解液，泵送至电化学电池内发电。
同锂电池相比，钠离子电池和液流电池的体积较小，能量密度较低。发电效率也较低，终端应用的可靠性较差。因此可预见，未来锂电池仍是首选。
迎接电气化的未来
锂电池带来了移动电源的变革之旅，引发了智能手机、电动工具、电动汽车、微电网的技术革新。伴随着全球向可再生能源和电动交通工具的转型，电池的需求会越来越大。但是，锂电池价值链复杂，全球相互关联，给人们带来了严峻的挑战。
为了实现全球可持续发展，必须确保原材料采购符合道德标准，减小整个生产过程对环境的影响，解决电池回收的难题。钠离子电池等电化学替代品前景广阔，但锂电池仍占市场主导地位。锂电池只是全球能源转型和碳减排工作的一个组成部分，力争在2050年之前实现净零排放。
