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调研:替代电池技术路线图2030(1)

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来源:Alternative Battery Technologies Roadmap 2030+ (fraunhofer.de)

文末附下载链接

关键结果

关于替代电池技术的路线图解决了一些问题:替代电池技术具体优势是什么?

Me-ion电池

钠离子电池在结构和操作原则方面与锂离子电池非常相似。然而,它们对资源的依赖程度较低,具有更好的可持续性和成本效益的潜力。锌离子电池具有比锂离子电池低得多的能量密度,但同时由于使用了水基电解质,环境足迹要低得多。MIBs有潜力提供缺失的高重量和体积能量密度,这可能超过锂离子电池。铝离子电池可以设计成比锂离子电池具有更高的功率密度,比电容器具有更高的能量密度,以及高循环寿命和高倍率。然而,它们的能量密度比大多数其他Me-ion电池技术低得多。

Me-S电池

在Me-S电池领域也存在有前景的技术。锂硫电池具有比锂电池更高的重量能量密度的潜力,尽管体积能量密度和循环稳定性可能更低。此外,由于S的高能量密度和低成本,也有可能实现低每千瓦时成本。需要改进循环稳定性和功率密度。Na-S HT电池的重量能量密度略低于锂离子电池。由于使用的材料不同,Na-S HT电池的二氧化碳排放量可能比锂电池低。然而,系统效率和相对较高的成本都是一个明确的挑战。在这方面,Na-S RT电池实质上更有优势,并且在长期内也可以实现与锂电池相似的重量能量密度。

Me-air电池

在考虑的Me-air电池中,锂空气电池的技术准备水平(TRL)特别低,相应地有很高的研究需求。然而,理论上,锂-空气电池可以拥有极高的重量能量密度,而成本可能比锂电池略低。但要实现这一点,需要解决循环稳定性问题。锌空气电池可以认为比锂空气电池更先进,具有更高的TRL,并且可以实现与锂电池相当的相对较高的能量密度。

此外,它们甚至可能带来更低的成本和更少的二氧化碳足迹。然而,它们的功率密度相对较低。尽管根据公司公告,锌空气液流电池设计多年来一直处于商业化的边缘,但它尚未能够在市场上作为一种可行的替代电池技术建立自己的地位。

RFBs

基于钒的可再生燃料电池已经在市场上建立起来,但仍有改进的潜力(例如,通过材料替代,特别是钒),以进一步降低成本和二氧化碳足迹。因此,如果需要低成本(例如,锌基电池)或高资源可用性(特别是钠基或镁基电池),则考虑的一些替代电池技术特别合适,而它们的技术kpi主要决定它们对特定应用的适用性。

1. 介绍

本路线图的重点

因此,该路线图侧重于替代电池技术,这些技术似乎有希望在一个或多个长期应用中得到应用,也就是说,在一般情况下或在欧洲尚未商业化的电池。

该路线图涵盖了金属离子(Me-ion)、金属硫(Me-S)、金属空气(Me-air)和氧化还原液流电池(rfb),其中钠离子电池(SIB)(一般和盐水,SIB盐)、镁离子电池(MIBs)、锌离子电池(ZIBs)、铝离子电池(AIBs)、锂硫(Li-S)、室温和高温下的钠硫(Na-S RT和HT)、锂空气(Li-air)、锌空气(Zn-air)和RFB进行了更详细的研究。

路线图采用整体视角,并涵盖

  • 技术方面(kpi、TRL水平、潜在的未来发展);

  • 经济方面(成本,潜在的应用和市场,生产,供应链)

  • 生态方面(例如,资源可用性、可持续性)


1.1 市场发展

市场发展 

到2030年,全球对锂离子电池的需求将超过每年3太瓦时(图1)。大多数技术报告和市场预测,到2030年,全球对锂离子电池的需求将达到2至4太瓦时,在最大情况下将达到6太瓦时。2030年后,市场将继续增长。到那时,新的市场,例如个人客运航空和许多其他市场可以达到相关的市场份额,这将进一步增加需求。从长远来看,全球电池需求每年超过10太瓦时被认为是现实的。

1.2 路线图法

我们使用了许多相互关联的方法来绘制这个路线图,它们依次建立在彼此的基础上(图2)。

1.3 对标锂离子电池

当前和未来的关键绩效指标

LIB可能的性能特征范围非常大。例如,通过正确的材料选择和电池设计,可以生产充放电率高达10C的高性能电池(Li4Ti5O12,钛酸锂(LTO)基锂电池),寿命为数千次循环的高性能电池,或重量和体积能量密度超过250 Wh/kg和700 Wh/l的高能电池(例如NCA-LIB)。然而,所提到的所有最大值不能在单个电芯中同时实现。

2. 替代电池技术

2.1 替代电池技术概览

锂的许多特性对电池设计是有利的,并导致了锂离子电池(LIB)技术与铅酸(PbA)或镍氢(NiMH)电池等其他系统的建立。锂轻(比重量),小(离子半径),具有非常低的电极电位(与标准氢电极/ SHE相比),因此具有高比容量的广泛电位电极(宿主)材料是可用的,并且在电池水平上可以实现高电压。虽然大多数电极组合没有合适的和本质稳定的电解质,但有机电解质可以实现稳定的运行。

原则上,锂离子电池的替代电池系统,以及锂在电极材料中的嵌入,可以以不同的方式想象:

  • 通过在电极上利用合金化、转化或沉积反应,

  • 通过完全不同的电极概念,例如,在阴极用气态氧

  • 通过使用其他带电荷的元素/离子。


然而,许多锂的替代品要么具有不太有利的电极电位,要么具有更大的离子半径(表1)。尽管这两个参数并不能直接描述这些离子在电池中的性能,但它们是可以达到的电池电压和存储所需体积的指标。

(未完待续)



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燃料电池航空新能源理论材料
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首次发布时间:2024-07-26
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(更多新能源行业干货,尽在知乎“小明来电”~)来源:Alternative Battery Technologies Roadmap 2030+ (fraunhofer.de)2. 替代电池技术2.1 替代电池技术概览该路线图侧重于那些在一种或多种应用中似乎有前景的替代电池技术,其中前景涵盖了不同的方面,如性能、经济和生态方面。此外,该路线图侧重于长期发展,因此,在一般情况下或在欧洲,尚未商业化的电池。基于以前的路线图和文献的见解,以及与国家电池专家进行的在线调查,该路线图侧重于金属离子(Me-ion),金属硫(Me-S),金属空气(Me-air)和氧化还原液流电池(RFBs)以及选定的子技术(表2)。2.2 文章和专利技术出版物的共享和动态LIB出版物的数量从2008年左右到2014年左右呈指数级增长,然后一直到2020年呈线性增长。2020年以后,可以观察到新的更强劲的增长。从2000年到2010年,出版物的数量从500篇增加到2000篇,从那时起,每年大约有1000篇额外的文章发表,也就是说,仅在2020年就有12000篇。与LIB基准相比,替代电池技术自2012年以来一直在发展,从几个百分点的份额开始,增加到约10 - 20%的份额(特别是SIB, Li-S电池)。最近,关于ZIB和锌空气电池的出版物增长强劲,并表明在未来几年内可能达到10%的份额(图4)。RFB显示出与LIB相似的增长率。Na-S电池的增长率更高,但市场份额低于1%。目前,关于锂空气电池的出版物数量正在下降。欧盟28国出版物的份额和动态根据可替代技术的不同,欧盟出版物的份额从10%到25%不等(图5)。对于LIB而言,份额为18%,最近11%的年增长率略高于全球LIB出版物的增长率。除了负增长的锂空气电池(低于-10%),所有其他替代电池技术与LIB基准相比都显示出更高的增长率(特别是ZIB和锌空气电池出版物)。有一些技术,如RFB、AIB、Na-S电池或SSB,欧盟28国在全球出版活动中占有较高的份额。技术专利份额与动态LIB的专利申请从200件增加到1000件(从2000年到2010年),在2012年达到顶峰(几乎有1600件申请)。在2017年之前,观察到停滞和部分下降。从那以后,又出现了新的增长。以此为基准,可以看出,在LIB专利申请停滞的情况下,替代电池技术专利增加较多。在过去的几年中,一些替代技术停滞不前(例如,RFB),而与LIB相比,其他技术则经历了或低或高的增长率,即5%至15%的增长率,而LIB的增长率为11%(图6)。欧盟28国专利份额和动态对于大多数替代技术,欧盟专利申请的份额从13%到19%不等,LIB的基准为15%(图7)。然而,RFB的份额为25%。关于增长率,以及应用程序的动态,替代技术的增长率从低于10%到超过20%不等,而LIB作为基准的增长率为10%。Me-S专利申请最近开始下降,AIB专利申请增长率最高,超过45%。国家份额和参与者在所有考虑的技术中,中国都是领先的参与者,根据技术的不同,其份额超过30%至近80%(图8)。对于LIB,其份额约为55%。可以看出,中国科学院在中国的出版活动以及与其他国家和世界地区的全球合作中发挥着突出的作用。此外,中国大量的一流大学也为大量的出版活动做出了贡献。在美国,一些顶尖的大学和研究实验室根据不同的技术贡献了10%到25%的出版活动份额。欧盟28国也拥有约10-25%的出版份额,与美国相当相似。在欧洲,领先的研究中心(特别是德国的KIT和FZ,以及法国的CNRS和其他研究中心)以及欧洲领先的大学是研究活动的热点之一。日本在几乎所有被考虑的技术领域都处于领先地位,专利申请的份额从25%到40%以上不等。作为基准,日本在LIB中的份额最高,但在AIB中也有42%的份额。只有在锂电池方面,韩国和美国领先于日本,超过25%。对于Li-air,美国也以近30%的份额领先于日本(图9)。关于参与者和专利申请人,我们观察到,对于日本,领先的电池制造商(如松下,GS汤浅等)以及电池价值链上的各种供应商都在为专利活动做出贡献。对于韩国来说,电池制造商(如LG、SDI、SK)和供应商是主要的专利申请人。在中国,像宁德时代、比亚迪等公司在专利申请活动中处于领先地位,并辅以电池价值链上的供应商活动。在美国,申请者的范围从材料供应商到电池集成商,但也包括大学。在欧洲,电池价值链上的大公司(尤其是材料/化学公司,如巴斯夫、优尼科)和原始设备制造商是领先的申请者。在某些情况下,领先的申请者还包括电池制造商,偶尔也有研究机构(RTOs),不太常见的是大学。各国的专业化和技术组合可以观察到,尽管中国的LIB出版物份额超过50%,但仍然存在积极的专业化,例如Zn-air, Li-S, ZIBs或SIBs(图10)。除了AIB之外,日本没有相应的专利专门化(图11)。德国和欧盟28国专门研究RFB和Li-air专利,而欧盟专门研究AIB和SIB出版物。2.3 资源可用性原料生产除了地球上的绝对储量外,原材料的地理分布也起着重要作用,特别是从欧洲的角度来看。图12显示了原材料的最高生产活动(3个最大的生产国)。表3和图13分别显示了欧洲总体和国家层面的生产活动和储量。虽然欧洲国家并不是上述任何一种材料的最大生产国,但欧洲已经在进行钠和硫等一些材料的生产活动,从长远来看,欧洲现有的储备可能会被利用。(未完待续)小明来电⚡为你充电,我们下期再见,拜拜~来源:小明来电

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