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8个重要材料将推动电池市场

放大字体  缩小字体 发布日期:2021-10-28
 随着电动汽车市场的持续增长,对某些电池原材料的需求可能变得至关重要。

2012年,全球电动汽车(EV)销售总量约为125,000辆。2020年,包含电池电动汽车和插电式混合动力车在内,共销售320万辆,2021年预计全球电动汽车销量将超过600万辆。到2030年,每年新电动汽车销量预计达到3000万辆。随着业务量继续急剧增长,生产电动车电池的原材料也随之大幅增长。目前,世界电池需求在280GW,到2030年需求量将达到2000GW至4000GW之间。

选择电池使用的锂离子化学,镍钴锰(NCM)或磷酸铁锂(LFP)为正极材料。镍钴锰电池有更显著的能量密度,使电动汽车有更长的续航里程,但是价格也非常高。

由于镍钴锰锂离子电池满足了许多电动汽车驾驶员的需求,它们将继续主导市场。这些电池面临各种各样的供应问题,像是镍、钴与锂的采购,用来制造电池。

在9月中旬美国密歇根州诺维举行的The Battery Show电池展,主题有电池原材料、精炼与替代电池化学品等话题。以下是我们从一些顶尖专家的各种演讲和讨论中获得的一些见解。

 

Nickel

高能量密度与高功率密度商用锂离子电池都采用是镍基阴极。氧化镍与锰和钴的结合制成镍钴锰电极,呈晶体结构,可接受放电过程中来自石墨阳极的锂离子,也可在充电过程中使锂离子返回阳极。

最初,镍钴锰阴极包含等量的镍、锰和钴(NMC 111),然而钴的成本太高,其供应问题是研究人员致力于减少甚至消除钴在阴极结构中的含量。NMC811(钴的含量仅占10%)已经出现在一些电动汽车制造商的电池中。通用汽车(GM)与LG新能源生产的新型Ultium电池中镍、钴、锰的比例分别是90%、5%、5%。

直到两年前,需求镍的最多的是不锈钢,但是现在电池生产已经成为主要市场。不幸的是,生产电池所需必须是一级镍,纯度在99.99999%,这要比生产不锈钢所用的镍铁级(含有30%-50%的铁)的成本高出许多。利用高压酸浸(HPAL)这种方法将镍铁炼制成一级镍是非常昂贵的,每公吨的成本在5000至6000美元之间,而且对环境也会造成不好的影响。

镍在一辆拥有75kWh锂离子电池组的特斯拉中含量有70公斤,占整个电池组的10%。像是特斯拉和大众等主要OEM汽车制造商正在为未来的生产签订镍合同。只有三家可以生产镍的大型公司能够生产出主要OEM想要的25,000至50,000公吨的镍,其他公司规模较小且生产量少,每年只能产出大约3000至6000公吨。

一级镍的价格目前大约每公吨20,000美元,但如果他们讲镍的价格提升至每公吨45,000至60,000美元,有望推行其他解决方案,例如锂硫,并将获得更多的研究资金。

 

Lithium

我们虽称锂离子电池,但实际上锂的重量仅占2%。锂在充电过程中以离子的形式在阴极(正极)与阳极(负极)之间移动,放电时以反方向移动。因此,即便锂的含量不多,但起到重要作用。

锂的来源主要有两种途径。锂辉石是一种矿物质,其中含有锂,通过硬岩开采成为澳大利亚电池材料最大供应商之一,占世界产量的53%。它在露天矿开采,经过一些初步处理,运往中国,转化为氢氧化锂电池材料。

锂电池材料的另一主要资源在南美洲,富含锂的盐水是从地下含水层抽取,并分布在巨大的太阳能池中。3-5年后,水蒸发后留下盐分,锂便从这些盐分中提取、加工,运送到中国,使其成为碳酸锂电池的原材料。智利生产锂占全球21.5%,阿根廷占8.3%,巴西与玻利维亚等地还在开发中。

前几年,锂的总产量每年大约在120,000公吨至130,000公吨。而今年产量超过300,000公吨,来自McKinsey & Co.的Ken Hoffman在The Battery Show上表示2030的预计需求将达到每年200万 至300万公吨。现在,锂的长期价格在每公吨12,000美元至15,000美元之间,但最近几年,价格也出现了波动。

电池中除了碳酸锂和氢氧化锂材料,还有许多锂产品。碳酸锂从盐水中提取,成本很便宜。大约一半的NCM 622阴极使用碳酸盐,但一旦镍的含量超过60%,需要使用氢氧化锂才能获得可接受的结果。一个原因可能是碳酸盐具有大的不规则形状的颗粒,而氢氧化物是水溶性的,在初始锂化反应过程中更容易进入阴极结构。

从地质学角度说,全球有很多锂,甚至还存在海水中,但提取锂并将其提炼成电池材料的成本很高。目前,对大多数的锂材料都来自中国。

 

Cobalt

钴也是电池材料的一种,通常在锂离子电池中认为是不好的。电池在放电过程中,锂离子储存在晶格中时,钴可以有助于氧化镍正极材料结构。刚果民主共和国(The Democratic Republic of the Congo)可以生产钴占全球60%。

刚果的政治局势不稳定,尽管大多数钴产自经营矿山,但有人指出少量钴是通过童工和侵犯人权的开采的,这让世界各地的汽车公司感到紧张,他们需要确保电池中使用的钴只来自正规渠道。

目前,每年用于电池生产的钴大约150,000至160,000公吨,再加上来源问题,钴是昂贵的,研究人员已经开始放弃使用锂离子电池中钴元素了。最初的NCM111阴极材料中含有33%的钴,现在的阴极材料NCM811只含有10%的钴,新Ultima电池使用NCM955的钴含量仅占5%。特斯拉使用镍钴铝(NCA)电池仅含有3%的钴。

钴昂贵的其中一个原因是它是铜和镍开采的副产品,只有少数公司控制其生产,因此价格昂贵。随着时间的推移,电池阴极对钴的需求越来越少,回收利用将成为钴的良好来源,高成本使其成为循环经济的驱动力之一。

 

Copper

由于电池是电气设备,所以线路和电路布局也是会使用到铜的。汽车实际上是移动电脑系统,因此电缆和连接器增加了对高导电金属的需求。

电动汽车中用于电动机绕组和电线中使用大量的铜,如果不将其。直接使用在锂离子电池,则铜将成为电气化成本的重要组成部分。一辆电动汽车的铜含量大约是内燃机(ICE)汽车的四倍。部分原因是由于所有的汽车都安装各种安全和娱乐系统,因此所需的线路增加,还有一部分原因是由于电池组内部使用的铜箔厚度减小所致。背面使用一层薄薄的铜箔作为集电器(非电解液)收集电子流并使其变薄的石墨阳极的一侧减少了电动汽车中铜的总重量。铜在内燃机汽车中大约占23-26公斤,而在电动汽车中占37-55公斤。

虽然更薄的箔和更高效的电线减少铜在电动汽车的数量,但是快速充电和广泛的公共充电设施的转变在电气化交通系统中将需要更大量的铜。

铜在全世界都有开车,其价值足以在锂离子电池中回收。大量的铜被用于电动汽绕组中,电动汽车中使用的电线也是也是回收目标。

 

Manganese

锰与镍和钴混合在锂离子电池阴极中可以提高电池能量,延长电池寿命。锰可以容纳很多电子(如镍),但是不能释放很多,所以使锰电池的能量密度降低。

锰是地球上最富有的金属元素,与钴和镍相比之下锰的成本最低,所以在阴极中增加锰元素可以减少电池的成本。如果镍的价格飙升,那么可能就会制造出高锰电池(锰含量超过50%),尽管镍锰电池的能量密度是每公斤260-280瓦时(Wh/kg),但也无法达到高镍锂离子电池所能提供能量密度。

锰最初在非洲、澳大利亚、南美开采,消耗的90%的锰作为合金元素用于炼钢。作为电池材料,锰必须具有非常高的纯度。锰相对容易回收,但作为一种原始金属,它的低成本无助于锂离子回收的经济性。

 

Aluminum

锂离子电池中铝几乎占了三分之一。几乎在所有情况下,铝不会参与任何电化学反应。相反,铝箔被用于氧化锌阴极(正极)的背衬和集电器。在制造过程中,将含镍浆料或泥浆涂在铝箔上,并在烘箱中烘干,形成电极。

特斯拉和松下使用一种电池化学反应镍钴铝(NCA),铝作为阴极材料的一部分,使其与部分电化学反应。镍钴铝电池以高功率输出而闻名,这也是特斯拉选择这种电池的原因。

铝分布在全球的各个矿物铝土矿。这种轻质金属需要大量的电力才能从矿石中提炼出来,因此铝厂通常位于能够获得低成本水力发电的地区。

 

Lithium-Iron-Phosphate (LFP)磷酸铁锂

由于磷酸铁锂(LFP)电池的阴极不含镍或钴,因此磷酸铁锂电池的阴极成本要比镍钴锰阴极便宜很多。磷酸铁锂电池被认为是比镍钴锰阴极更安全的阴极,并且更牢固。

磷酸铁锂的缺点是能量密度。磷酸铁锂电池可以产生170Wh/kg,与镍钴锰提供的300Wh/kg相比较差。所以在同等大小的电池组下,电动汽车的续航里程较短。

尽管有各种局限性,最近很多人对磷酸铁锂重新产生了兴趣。并不是每辆电动汽车都需要有超过300英里的续航里程,对于市区或通勤来说,磷酸铁锂电池或许已经绰绰有余了,电池的成本也可以节约25%。由于磷酸铁锂电池的安全性能更高,可以去除一些电池监控和安全系统,可以为更多电池提供空间。特斯拉正在中国生产的Model3内使用磷酸铁锂电池,大众汽车表示磷酸铁锂将来在体积更小、性能稍低的电动汽车生产线中有更好的前景。

储存太阳能和风能的可再生能源的固定电池也是磷酸铁锂电池的一个良好应用。成本低、稳定性高、循环性号、安全性以及缺少贵重的镍和钴材料使磷酸铁锂在各个应用中更有吸引力。


Lithium-Sulfur硫化锂

如果镍的价格完全失控,锂硫电池准备就绪。硫磺资源丰富且价格低廉,再有成本优势,锂硫电池的存储能力是同等重量的锂离子电池2-5倍的能量,最高可达900Wh/kg。

然而,需要解决的一个问题是锂硫电池中硫电极随着锂离子从硫阴极插入和去除而呈现出大幅度膨胀和收缩,导致锂硫电池迅速劣化,减少锂的储存量。电解液也会与暴露的硫发生反应,合成化合物,在相对较少的循环次数内降低电池容量。这些问题正在研究中,人们对锂硫电池的达到共识还需要几代人的时间。

 

中国化学与物理电源行业协会 杨柳翻译

2021.10.20

 
关于我们:中国化学与物理电源行业协会(China Industrial Association of Power Sources,缩写:CIAPS) 是由电池行业企(事)业单位自愿组成的全国性、行业性、非营利性的社会组织。协会成立于1989年12月,现有530多家会员单位,下设碱性蓄电池与新型化学电源分会、酸性蓄电池分会、锂电池分会、太阳能光伏分会、干电池工作委员会、电源配件分会、移动电源分会、储能应用分会、动力电池应用分会和电池隔膜分会等十个分支机构。
本会专业范围包括:铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、氢镍蓄电池、锌锰碱锰电池、锂一次电池、锂离子电池、太阳电池、燃料电池、锌银电池、热电池、超级电容器、温差发电器及其他各种新型电池、电池系统解决方案,以及各类电池用原材料、零配件、生产设备、测试仪器和电池管理系统等。

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