Joule最新综评：现代化军用可充电电池！

美国国防部（DoD）历来将电池视为非战略商品。但随着可充电电池在地缘政治问题、全球经济和国际脱碳战略中发挥越来越大的作用，它们在国防应用中的使用正引起政府、经济学家、学术界和工业界的关注。在这里，我们使用国防部可充电电池采购数据集来揭示使用趋势，并了解国防部如何实现现代化。与国防工业利用尖端技术的看法相反，我们发现国防部使用了大量独特的铅酸（PbA）电池，这些电池会产生复杂的供应链、繁重的物流和巨大的碳足迹。改用由大规模生产的小型锂离子（Li-ion）电池制成的标准化电池将有助于克服这些挑战。虽然国防部对锂离子电池的需求现在和将来都可能是无关紧要的，可能占全球需求的0.001%，但采用电动汽车（EV）行业的电池技术将对国防部产生重大影响。

目前，国防部主要依赖许多独特的PbA电池。图1A显示了美国国防部使用的独特可充电电池的数量，图1B显示了国防部每年购买的按化学成分细分的储能，包括PbA、镍镉（Ni-Cd）、镍金属氢化物（Ni-MH）和锂离子。我们将PbA、Ni-Cd和Ni-MH称为传统电池。我们为这项研究分析的电池采购从2010年1月1日开始，到2021年12月31日结束，来自Haystack数据集，我们通过收集每个电池的规格表来增强数据集。该数据集包括由美国国防后勤局管理的电池，这些电池有国家库存号，并概述了更换电池的采购情况，而不是采购时国防部系统或平台中包含的电池。该数据集并不全面，但却是国防部电池使用量最大的汇编之一。图1A和1B显示，国防部使用的PbA电池比其他任何电池类型都要独特得多，每年以PbA电池的形式购买的储能量也比任何其他电池都要大得多，这可能是由于PbA的循环寿命短。国防部开始使用更多的锂离子电池，但工程师在锂离子广泛采用之前设计了许多国防部系统，因此这些遗留系统仍然依赖于遗留电池。

锂离子电池在许多指标上都优于传统电池，并可能成为未来几年的主导电池技术。传统电池是不太可能大幅改进的成熟技术。生产传统电池，特别是镍镉和镍氢电池的公司几乎没有动力改进甚至继续制造它们，因为全球最大、增长最快的电池化学市场是锂离子。相比之下，锂离子电池制造商继续增加产量，电池科学家和工程师不断发明新技术，以提高锂离子电池的性能，超越其已经非常出色的重量和体积能量密度（图1C），令人印象深刻的循环寿命、高功率和小碳足迹（图1D）。

使用依赖于大规模生产的锂离子电池的标准化电池将简化供应链和物流，同时通过利用规模经济来降低成本。如图1A所示，国防部目前使用许多独特的电池，每个电池都有自己独特的供应链。用更少的独特标准化电池取代传统电池将简化供应链和物流。图2显示了国防部如何利用规模经济来降低锂离子电池的成本。具体而言，图2描绘了2010年至2021年国防部每年按化学成分分列的电池和电池的成本与数量。随着年度能源购买量的增加，能源成本下降，凸显了规模经济的影响。此外，当我们将数据分为6年的部分来调查随时间推移而发生的潜在趋势时，我们发现除了图2在整个12年期间所捕捉到的差异外，没有其他显著差异。图2还包括2023年全球生产的锂离子电动汽车电池的平均成本9和数量10。由于规模经济，国防部的锂离子电池和电池的价格至少比电动汽车中使用的电池贵一个数量级，这表明国防部可以通过在国防部标准化电池中使用更多批量生产的锂离子细胞来降低电池成本。请注意，国防部将继续需要许多昂贵的定制电池和电池。此外，如果电动汽车行业继续使用比国防部更多的锂离子电池，国防部不太可能达到电动汽车行业实现的低成本锂离子电池。

小型锂离子电池，如18650和2170，因其体积小和市场可用性而对国防部很有价值，而大型电动汽车电池对大多数国防部设备来说太大了（图3）。图3A显示了Haystack数据集中国防部电池（包括锂离子电池和传统电池）的能量，其中为电动汽车和大型电动汽车电池组（100千瓦时）设计的不同电池格式的能量值由水平线表示，以供参考。对于圆柱形电池和电动汽车袋式电池，我们假设镍锰钴（NMC811）化学成分，对于电动汽车棱柱形电池，我们假定磷酸铁锂（LFP）。大多数国防部电池的能量范围为10至3000 Wh（图3A），提供12或24 V（图3B）。图3A显示，18650和2170格式是电池标准化的良好选择，因为工程师可以使用这些电池串联和并联设计电池组，以满足大多数电池供电的国防部系统所需的电压和能量要求。尽管电动汽车行业正在转向更大的电池格式，但电池制造商仍在继续改进和生产18650和2170格式的电池，因为他们为制造这些电池进行了大量的资本投资。其他行业依赖18650和2170格式，如电动工具和微移动行业，这为制造商继续生产这些格式提供了额外的动力。相比之下，为电动汽车设计的圆柱形4680和更大的袋和棱柱形电池提供的能量比大多数当前国防部电池所需的能量更多。例如，如果国防部系统需要24V电池，那么使用NMC811化学物质用18650电池制成的最小电池由七个串联的18650电池组成，产生的能量接近76Wh。相比之下，使用4680可以制成的最小24V电池由七个串联的4680组成，产生630 Wh的能量，这比大约65%的国防部电池所需的能量更多（图3A）。然而，随着国防部采用混合动力和全电动汽车或其他大型电气化技术，如定向能武器，国防部可能会使用更大的电池。

国防部迟迟不采用锂离子电池的一个关键原因是担心热失控，一些人认为锂离子永远不会足够安全，并列举了许多造成巨大破坏的锂离子火灾。然而，设计得当的锂离子电池在许多应用中都是安全的。例如，越来越多的国防部著名电池组、飞机和车辆，如BB-2590、6T、F-35战斗机和联合轻型战术车，成功使用了锂离子电池。此外，大量的研究工作继续提高锂离子的安全性。新兴安全创新的例子包括液化气体电解质、固态电解质和嵌入式气体传感器。尽管研究人员花费了数十年的时间来推进“超越锂”电池，这些电池有望提供与锂离子电池相当或更优的性能，提供更好的安全性，但还没有一种电池像锂离子电池那样获得广泛的吸引力。请注意，即使国防部决定立即扩大其大规模生产的锂离子电池的使用，国防部也会进行漫长的电池测试以获得认证，因此部署任何新电池，无论是否使用锂离子电池，都需要大量的时间和成本，这为依赖标准化电池而不是继续为每个国防部系统创建定制电池提供了另一种动力。

人们越来越担心在国防应用中使用锂离子电池，因为美国以外的国家制造了锂离子电池所需的许多材料。然而，在拜登总统的《通胀削减法案》和私人投资的支持下，新兴的国内电动汽车电池供应链似乎准备创造充足的国内锂离子电池和材料来源。此外，与商业市场的需求相比，国防部所需的锂离子电池数量相形见绌，在紧急情况下应该很容易获得。根据Haystack数据集，国防部每年购买10 MWh y-1锂离子电池，相当于100特斯拉Model S电池，假设每个电池为100千瓦时。请注意，这个值是一个较低的估计值，因为Haystack数据集没有跟踪国防部使用的所有锂离子电池。作为参考，2022年全球对锂离子电池的需求为700 GWh，因此，假设Haystack数据集捕获了国防部使用的大部分锂离子电池，国防部约占全球需求的0.001%。虽然我们预计国防部对锂离子电池的需求将增长，但全球需求也将增加，因此国防部的市场份额可能仍然微不足道。

俄乌战争表明，国防部可能需要使用更多大规模生产的锂离子电池和电池来应对新型冲突。乌克兰由于前期成本高和安装时间长，在经济上无法制造传统的火炮和导弹系统，因此使用由商用零件制成的廉价无人机，并附有爆炸物。2024年，乌克兰可能生产200万架无人机。如果成功，乌克兰将购买200MWh y−1锂离子电池用于国防应用，这是国防部年度锂离子电池需求下限的20倍。为此计算，我们假设业余爱好者常用的100-Wh时锂离子电池将为乌克兰的大部分无人机供电。

总结并展望未来，我们强调了消除误解的关键点，这些误解可能会困扰寻求将可充电电池用于国防应用的研究人员和公司。

1. 国防部需要改进的包级技术，以实现使用大规模生产的锂离子电池的安全电池，其中电池可能不是专门为军事应用设计的。一旦这些创新得到广泛的商业应用，材料和细胞级创新大多会使国防界受益。

2. 使用新兴化学物质的电池需要至少优于PbA，每单位能量的电池组成本具有竞争力。在这种新兴化学电池大量生产用于非国防应用之前，实现每单位能量成本可能具有挑战性，因为国防部的年电池需求量很小。

3. 由于与认证、成本、供应链和物流相关的负担，性能略低的标准化电池可能比性能略高的定制电池对国防部更有利。

4. 大多数小批量生产的电池都很昂贵，如果国防部能够利用低成本的标准化电池，使用依赖于广泛商业应用的化学物质的大规模生产的电池，国防部宁愿避免购买昂贵的电池。