锂离子电池：从实验室到大规模生产所面临的挑战

扩大锂离子电池的规模所面临的挑战

实验室规模的材料开发和工程改进可能是将新技术推向市场的主要障碍。虽然诸如将材料生产从克级扩展到吨级的挑战已被充分理解，但其他问题往往被忽视，如复杂的价值链，需要几十个供应商来采购所有的材料和部件（见图7，顶部）。建设一个制造工厂，从资本支出（CapEx）到SOP（图7，下），可能需要几年的时间来调试，而所需时间取决于所生产的产品。一个生产层状氧化物正极活性材料的化工厂将与生产电池片的工厂截然不同，后者需要精密的制造和高度的自动化才能具有成本竞争力。在这里，我们用一系列的例子来说明供应链的考虑和不良的成本假设是如何使技术发展脱轨的。

图7：循环电动车电池价值链，从矿物开采到回收（上），以及达到SOP所需的典型时间（下）。

供应链

转向高锰含量的正极化学材料可能提供了一条平衡电池制造成本和性能指标的途径，如比能量。许多成熟的制造商和新成立的公司都在追求这些材料，例如，Haldor Topsøe和Nano One Materials（就LNMO而言），BASF（就NMC 370而言），SVOLT（就NMx而言），以及HCM163、SAFT和CATL（就LMFP或LxFP而言）（有许多不同的取代物，如CATL的 “M3P “）。这些公司正在推进大规模生产，并声称要实现高性能的正极材料。然而，目前的电池级锰的供应链不足以支持这些技术在今天的广泛采用。事实上，目前对硫酸锰供应的预测显示，如果化工企业不投资增加产能，最早在2025年就会供不应求（见补充图3）。为了防止硫酸锰的供应成为瓶颈，计划使用这些正极材料的公司将需要与化学品供应商紧密合作，以确保生产能力按照他们的要求提升。这些问题不仅是材料生产商的问题，也可能会破坏最终用户的计划，如挪威电池制造商Morrow（他们与Haldor Topsøe合作生产LNMO电池）和大众汽车等公司，他们表示富锰化学是其未来计划的关键部分。

使用无机固态电解质的电池面临类似的供应链限制。对于使用硫化物电解质的电池（例如Li₃PS₄ ），没有现有的供应链来提供所需的硫化锂材料。这意味着公司必须在开发其供应链的同时，也要将电池本身商业化。氧化物基固态电解质（如Li₇La₃Zr₂O₁₂ ，LLZO）的供应链也面临类似的困难。据估计，用于LLZO的镧，在2019年的年产量约为50,000吨。我们估计，使用20µm厚的LLZO电解质和80µm厚的NMC811正极的1 GWh电池将需要大约255吨镧。因此，目前的镧生产可以支持大约200GWh的全固态电池生产。

无机固态电解质的使用越来越多，预锂化技术和金属锂负极的应用有望大幅增加锂的需求。如果不能正确理解需求增长的速度，并在整个价值链的公司之间进行合作，这可能导致进一步的材料瓶颈。预测未来对锂和其他电池原材料的需求已经很困难，因为对乘用电动车销售及其相关的锂离子电池需求的预测差异很大。BloombergNEF在其2021年电动汽车展望中预测，到2030年，每年约有3200万辆乘用电池电动汽车和插电式混合动力汽车销售。相比之下，国际能源署（IEA）在同一年对电动车销售做出了一些预测。他们最保守的预测是到2030年电动车销量超过3000万辆，但预计在2030年需要超过6500万辆电动车销量才能满足2050年净零排放方案的要求。这种不确定性本身就给扩大规模带来了困难。然而，材料供应商可以通过与客户的密切合作，在一定程度上消除风险。

成本预测

在开发新技术时，学术研究人员或初创公司需要预测新系统与现有技术相比的成本，以证明商业化的合理性，赢得资金并进行开发。这方面需要对现有的制造工艺和供应链进行多种假设，以及它们在未来将如何变化。对于学术研究人员和新成立的公司来说，要准确表述这些成本是什么以及它们将如何变化是很困难的。然而，有一些公开可用的工具，如BatPac6，可能会有帮助。如果使用的假设不能反映行业的情况，那么成本预测可能会导致对最终产品竞争力的不切实际的期望。这反过来又会损害初创企业的商业案例，或导致资金被分配到学术研究领域，而这些研究不太可能带来有利于行业的技术改进或带来技术进步。

准确预测生产时间尺度方面的困难也会损害新技术的扩大规模机会。过于激进的引进新技术的时间表可以使投资对天真的投资者具有吸引力，但最终可能会导致最终产品比现有技术更昂贵。例如，一个新的电池设计可能被商业化，其基础是在生产时，它将比现有技术更便宜。然而，生产的延迟可能意味着对现有电池设计的逐步改进导致现有设计的制造成本低于新设计的预测制造成本。虽然经验丰富的投资者可能比寻求融资的公司更加谨慎，但技术开发者应该对可实现的目标持现实态度。过度的承诺和不足将对整个行业造成更大的伤害。

制造工艺和系统设计

我们主要讨论了将新材料引入电池行业的优势和劣势。然而，引入新的制造工艺和技术以及电极和电池设计也同样困难。在制造领域，各公司都在探索新的工艺，如预锂化、干式电极涂层和改进的质量控制流程。然而，说服电池制造商采用这些技术是具有挑战性的，这些技术在最初引入时，可能会降低产量并增加资本支出。这通常会导致更高的电池制造成本。尽管有这些挑战，一些公司正在尝试将这些技术商业化

突出的例子包括24M的 “SemiSolid “电池设计，挪威电池制造商Freyr正在采用，以及其他。虽然24M的技术正在被商业化采用，但值得注意的是，一个主要的电池制造商并没有授权该技术，而是由一家电池制造的新公司进行商业化，这就带来了风险，在一定程度上降低了商业部署的可能性。在某些方面，这应该是对制造业的大规模变革的预期，因为成熟的公司通常比小型初创公司更善于规避风险。跨越现有公司并获得市场份额的承诺，往往足以成为新创公司承担这种技术风险的理由。

EnPower和Addionics等初创公司也在扩大其专利电极设计的规模和商业化过程中。这些公司声称他们的产品将能够同时开发出高功率和能源设备。然而，Addionics公司尚未开始大规模试生产（>100兆瓦时），而EnPower公司不得不在内部扩大试生产规模，以提供客户资格认证所需的电池数量，这需要公司大量的资本支出投资。

最后，ProLogium和丰田等公司正在积极研究和扩大系列或双极堆叠的规模。优势包括更好的热和电性能，以及减少PACK，但代价是更复杂的制造工艺和系统设计。

近年来，商业上采用的最大的系统设计是所谓的 “电池到电池组 “设计，如比亚迪的叶片电池。这些系统已被迅速采用，因为它们提高了性能，但没有从根本上改变电池的化学成分，也不需要彻底的新制造工艺。

汽车工业中的零部件资格认证

即使有一个成熟的价值链，向汽车行业供应零部件也不是件容易的事，而且这个过程可能很耗时。希望与汽车行业打交道的供应商必须经过一个标准化的、严格的资格认证过程，这是在国际层面上的规定（例如，见国际汽车任务组，IATF）。最常见的汽车零件鉴定标准是德国汽车工业联合会（VDA）的生产工艺和产品批准（PPA）和汽车工业行动小组（AIAG）的生产零件批准程序（PPAP）。

文献中讨论了为汽车工业服务的一些考虑因素，政府和汽车标准机构提供了指导方针。例如，让我们考虑向一个汽车OEM提供锂离子电池单元，以整合到电池组中。在这种情况下，电池片供应商，如三星SDI、CATL和LG能源解决方案，被期望可靠地提供安全、高质量的零件，并将废品率降到最低，即在提供给汽车客户的一批电池中，可能有少于10个电池片的缺陷（10ppm）。部件需要使用强大的流程进行严格的测试。

根据VDA指南，新电池的鉴定将从A-样品开始，即TRL 5的原型电池。A-样品电池不需要系列化生产，但它必须安全、实用，并且在性能和几何形状方面接近最终设计：电池的足迹和尺寸是固定的。这种原型可以在寿命和性能上做出妥协，但应该满足大部分的要求，从而获得B级样品的资格，在B级样品中电池的设计是不可改变的。过了B-sample阶段，重点是制造。大量的试验模块/包被组装起来，电池被批量生产，这就构成了C-样品阶段（TRL 6）。最后，在D-样品阶段，电池片被大规模生产，准备进行商业实施，并准备通过汽车部件批准，例如，经过生产部件批准（PPA），达到TRL 7。

测试要求可以增加十倍，从A类样品的数百个单元到C类样品的数万个样品。所需的测试类型包括性能和安全，后者是任何阶段的严格要求。测试在标准、指南和法规中也有严格的规定（如国际电工委员会，IEC 62660，由联合国，UN38.3，UN ECE R100）或常规测试（如美国先进电池联盟有限责任公司，USABC）。必须了解的是，大多数行为者，不管是学术界还是工业界，特别是在初始阶段（通常涉及初创公司），缺乏资源来准确进行这些测试或进入汽车领域的供应商资格认证步骤。缺乏适当的过程控制也会导致制造缺陷，有可能导致昂贵的产品召回。

总结和建议

锂电池成本和性能的显著改善，既要归功于电池、系统和供应链层面的创新，也要归功于材料开发。电池开发是一个具有复杂价值链的跨学科技术领域。为了使学术研究为这些部门提供最大的利益，需要有跨学科的合作，由产业界积极向学术界提出具体的最终客户要求。例如，可以通过支持工业界的研究人员与学术界共享职位，鼓励工业界的研究人员发表更多的同行评议的论文，以及增加学术界在工业界会议上的代表（反之亦然）来促进这种合作。

衡量标准很重要，但哪些衡量标准是重要的，以及它们如何从理论转化为系统是取决于具体情况的。对大局的清晰考虑对有效的应用研究至关重要。我们已经证明了像NCA这样的正极活性材料的高理论能量密度/比能量并不一定能在电池组层面上转化为更高的性能。在扩展一种材料时，需要考虑许多关键绩效指标，因为一种具有高能量和低循环寿命的电池，其应用可能是有限的。所有的关键绩效指标都需要对处于高TRL的设备进行评估，而制造本身可能是最大的挑战，特别是当创新技术不是 “滴入式 “时。在电池开发商QuantumScape最近的收益电话会议上，当被问及该公司是否需要制造完全均匀和完全无缺陷的基于固体电解质的隔膜以使其电池工作时，首席执行官Jagdeep Singh暗示了这些挑战，他回答说：”关键是知道哪些缺陷重要，哪些缺陷不重要，并关注前者 “。

在TRL范围内向上移动是一项越来越昂贵和复杂的任务。达到TRL 9的能力需要对许多要求的理解和在较低的TRL上的快速过渡。我们很容易过度简化技术商业化所涉及的因素，受制于一个庞大且不断变化的全球产业，这自然会给经济可行性带来不确定性。学术研究人员也许太容易根据初步的性能数据或原材料成本，对某项技术的扩展能力过于乐观，而没有意识到将一项新技术推向市场所需的资源的指数式增长。特斯拉的CEO埃隆-马斯克关于 “制造机器的机器 “的评论也许是最好的例证，它提到了公司在规模化生产中面临的困难。

从长远来看，炒作、过度推断和不正当的激励只会对该行业造成损害，所有参与者都应该承担起促进良好沟通和最佳实践的责任。不幸的是，在学术界和工业界，电池领域一直以炒作、虚假承诺和不切实际的目标而闻名。近年来，许多其他科学领域都不得不努力解决可重复性或科学完整性危机，这些危机是由电池科学测试中同样容易发现的缺陷引起的。在这方面，整个电池研究界必须支持诸如采用标准化测试协议、数据收集标准化和要求发布原始数据等举措。这种发展促进了知识的透明度和可转移性，特别是考虑到基于机器学习或更广泛地说，基于人工智能的研究方法越来越重要。特别是，我们强烈建议电池研究人员牢记以下几个方面，在不忽视实际应用方面的情况下改进材料的开发。

1.电解质有效地设定了电化学储能系统的界限，包括安全和循环寿命，电解质的开发是一个妥协的过程。例如，成本必须与电化学稳定性和离子传导性相平衡。提高循环寿命是大多数应用的关键，应激励对新电解质系统的研究。

2.近年来，该行业，特别是汽车制造商的重点是实现能量密度的阶梯式变化，这使人们更加关注引入或转换到硅和锂金属负极，因此，必须重新思考电池设计。当然，这些新概念必须满足最低的性能要求。然而，被认为是 “传统 “电池概念的持续改进，以及原材料成本的增加，使得一些公司从石墨|LFP电池等 “传统 “系统中获得了有竞争力的性能。这些电池系统的进一步改进可能为商业模式的创新提供了可能性，如车辆到电网（V2G）的整合。

3.降低成本、增加能量和使用寿命方面的目标也可以通过渐进式的改进来实现，例如，通过改进电池组的设计和制造工艺，如比亚迪的Blade电池和电池组，还包括活性和非活性材料，如Jeff Dahn教授（Dalhousie University）强调的电解质和添加剂的优化。

4.正极活性材料通常会区分锂电池，而选择的驱动力是成本和性能；这在中短期内可能会继续下去。在未来，负极材料的选择也会使这些电池出现类似的差异。

我们还想说说供应链的战略作用。这一领域对于降低成本和提高锂电池的性能至关重要，同时对制造和材料生产过程产生强烈影响。另一个同样重要的领域是需要进行数据驱动的环境可持续性分析，如生命周期评估，以了解电池从原材料开采到回收的环境影响。

随着越来越多的具有各种科学和技术背景的研究人员将他们的注意力转向电池行业，重要的是他们要对整个行业的研究和发展情况有更广泛的了解，而不是缩小视野，只关注他们的专业领域。这样做，可以避免得出误导性或无效的结论，从而无法推动锂电池的科学理解和进步。

在这方面，我们认为COVID-19期间在线电池论坛的增长是一个令人鼓舞的发展。混合会议可以成为专家和非专家相互交流并获得更广泛观点的有效论坛。应该激励开放、包容和具有成本效益的举措，从免费获取科学研究成果开始，包括有学术和非学术参与的无障碍交流平台。然而，这些举措也伴随着一些挑战和限制，例如：(i) 错误信息可能传播的风险；(ii) 开放数据可能被有利益冲突的实体滥用或被非专家误解；(iii) 论坛变得自我指责的风险；(iv) 保密问题，与行业密切合作的研究人员可能受到保密协议的限制。

最终需要一个更严格的科学方法。最终的目标应该是加快直接改善电池系统的创新，增加相关的、可重复的、可公开获取的同行评审科学文章的数量。考虑到推动能源转型所需的时间和非时间资源是有限的，这一点尤其重要。

如今，有太多的研究增加混淆而不是推动进展，我们需要利益相关者、工业界、学术界和出版商的联合行动来解决这个问题。资源不应浪费在（往往是不知情的，可能是善意的）有偏见和/或不可靠的研究或听起来不错的新闻稿上。事实上，肯定需要一个更关键的、以工程为主导的、数字的和透明的科学研究方法。

作为结束语，读者应牢记，透明度是一项关键要求，缺乏充分、公正和详尽的沟通通常是学术界和产业界之间存在分歧的主要原因，或者更广泛地说，是合作研究活动失败的主要原因。

A non-academic perspective on the future of lithium-based batteries
Nature Communications ( IF 17.694 ) Pub Date : 2023-01-26 , DOI: 10.1038/s41467-023-35933-2
James T. Frith, Matthew J. Lacey, Ulderico Ulissi