可持续性优势与科学知识影响着美国消费者对新型智能手机电池技术的偏好

《Energy Research & Social Science》：Sustainability benefits and science knowledge shape consumer preferences for novel smartphone battery technology in the United States

　　

Jillian L. Goldfarb | Emily M. Ryan | Douglas L. Kriner

康奈尔大学化学与生物分子工程学院，美国纽约州伊萨卡市

摘要

钠硫（NaS）电池是锂离子电池（LIB）的可持续替代品，锂离子电池目前被广泛应用于个人电子设备、交通工具和储能领域。钠硫电池不依赖那些受地缘政治供应链影响的稀有矿物，并且具有比锂离子电池更高的理论能量密度。尽管具有这些优势，但其广泛应用仍需公众的支持和接纳意愿。我们针对美国1179名成年居民进行了一项联合实验。其中一半的参与者被告知钠硫电池可以减少美国对中国的依赖（中国是美国的战略竞争者），而另一半则被告知钠硫电池能够降低环境污染和二氧化碳排放。实验要求参与者评估两款智能手机，这两款手机配备了六项随机分配的属性（电池类型[钠硫或锂离子]；每次充电的续航时间；屏幕大小；摄像头系统；成本；制造国家），共计进行了五轮评估。结果发现，参与者更倾向于选择配备钠硫电池的手机。这种偏好在具备较高科学知识的受访者中更为明显，也出现在那些了解钠硫电池可持续性优势（而非地缘政治效益）的受访者中。政治党派立场和对气候变化的政策态度并未影响他们对钠硫电池的偏好。

引言

锂离子电池（LIB）技术的进步使得它们在从手机、笔记本电脑到电动汽车等各种消费品中得到了广泛应用。全球锂离子电池市场的年增长率约为20%，到2025年市场规模已超过1500亿美元[1]。随着电动汽车市场的扩张以及风能和太阳能发电量增加对电网级储能的需求提升，电池的需求预计将继续增长。然而，这种快速扩张给供应链带来了压力，尤其是镍、钴和锂等关键材料的供应问题，导致价格波动和人权问题[2]、[3]、[4]、[5]。[6]

不过，锂离子电池技术和制造能力已趋于成熟，这可能会导致成本上升，因为技术进步放缓，而关键电池材料（尤其是关键矿物）的供应也会减少[7]。锂离子电池的长期可持续性面临两大主要挑战：首先，其关键组件包括价格昂贵且稀缺的过渡金属（如锂和钴），制造过程需要使用有毒溶剂[8]；此外，电池回收成本高昂且技术难度大，限制了材料再利用的经济效益。虽然研究人员正在探索锂离子电池的替代材料，但这些替代材料往往性能较低，长期稳定性也较差[9]。因此，像钠硫（NaS）电池这样的替代电池化学体系正受到越来越多的研究和商业关注。钠硫电池的主要成分是价格低廉且丰富的钠和硫，这类电池系统具有较高的理论容量和能量密度，性价比高[10]。目前，由于多硫化物迁移导致的循环衰减、充放电过程中体积变化较大以及固体电解质界面不稳定性引起的界面退化等问题，钠硫电池的商业化进程受到阻碍[10]、[11]。

虽然开发更可持续的钠硫电池系统是可能的，但市场是否会采纳这种技术，在一定程度上取决于消费者。随着钠硫电池商业可行性的提高，锂离子电池在日常生活中的普及是否会抑制钠硫电池的采用？消费者是否会继续依赖传统技术？为了回答这个问题，我们进行了一项联合实验，以评估钠硫电池在美国智能手机选择中的吸引力。尽管钠硫电池的应用范围不止于消费电子产品，但2023年超过90%的美国成年人拥有智能手机，这使得它成为研究电池技术偏好的理想对象[12]。我们的研究参考了两类相关的研究文献：一类探讨了影响消费者选择智能手机的各种因素，另一类研究了消费者在何种条件下更重视产品的可持续性（如产品特性和标签信息）。我们综合了这些研究结果来设计调查问卷。

部分内容片段

背景

公众对新兴技术的接受度和支付意愿是一个复杂且仍处于发展阶段的课题。对于具有颠覆性的技术，公众对更可持续产品的科学原理、优势和局限性了解不足，因此可能更依赖精英意见来形成看法[13]。

总体研究问题和假设

本研究的出发点是三个核心问题：

• 1. 美国公众是否愿意采用一种用丰富资源钠和硫替代关键矿物锂（Li）、钴（Co）和镍（Ni）的新钠硫电池系统？
• 2. 认为锂主要来自中国（一个战略竞争者）这一事实，或认为用钠硫替代锂具有更好的环境和可持续性效益，这两个因素是否会影响消费者的选择？
• 3. 消费者对钠硫电池的偏好及其对...的敏感性如何？

方法

为了评估消费者是否愿意选择配备钠硫电池的智能手机，我们在美国成年人群体中进行了一项联合实验。这种联合分析方法不仅能够帮助我们了解消费者对钠硫电池与锂离子电池的偏好，还能衡量电池类型相对于其他手机特性对消费者决策的影响程度。

结果与讨论

实验结果与假设H1高度一致：在其他条件相同的情况下，参与者更倾向于选择配备新一代钠硫电池的智能手机。图1显示了各电池类型对智能手机选择影响的相对概率变化（AMCE）。将电池从锂离子电池改为钠硫电池会使选择该手机的概率增加0.10。

联合分析方法的一个优点在于它能够深入揭示消费者对不同产品的相对偏好。

结论

智能手机已经成为不可或缺的个人电子产品。然而，它们对锂离子电池的依赖使得我们在地缘政治上变得脆弱，同时也不利于环境可持续性。尽管研究人员正在开发使用丰富且易于获取的材料的可持续替代技术（如钠硫电池），但这类技术的最终普及仍取决于消费者。目前关于消费者在不同选项间权衡的数据仍然不足。

作者贡献声明

Jillian L. Goldfarb： 负责撰写初稿、项目管理、方法论制定和资金筹集。Emily M. Ryan： 负责审稿与编辑、资金筹集和概念构思。Douglas L. Kriner： 负责撰写初稿、可视化设计、软件开发、方法论制定、数据分析及概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

本研究得到了美国国家科学基金会在工程材料系统（DEMS）项目下的资助（Grant Number: CMMI-1727316）的支持。