簡介

盡管三元電池材料，特別是高鎳正極材料的應(yīng)用規(guī)模遠(yuǎn)未達(dá)到頂峰，但現(xiàn)在考慮三元材料在三元鋰電池中的應(yīng)用前景是否為時(shí)過早？動(dòng)力電池是中國新能源汽車發(fā)展的基礎(chǔ)。本文將詳細(xì)介紹電池材料的發(fā)展趨勢。

 

電池材料的核心論點(diǎn)

用于動(dòng)力鋰電池的鈷和鎳資源將在2030年前后出現(xiàn)短缺，電池材料中的三元材料的發(fā)展必然是不可持續(xù)的。未來電池材料中的新型正極材料必須是優(yōu)于目前嵌入式正極材料的高潛力電池材料。硅基材料與新的正極材料的適應(yīng)性，不僅要提高其能量密度，而且要大大降低鋰離子電池的成本。

電動(dòng)汽車需要?jiǎng)恿υ?。?dòng)力電池的比能量、壽命、安全性和價(jià)格對純電動(dòng)汽車的發(fā)展至關(guān)重要，而鋰離子電池具有高比能量、低自放電和長壽命的優(yōu)點(diǎn)，是最實(shí)用的電動(dòng)汽車電池。經(jīng)過20多年的技術(shù)進(jìn)步，鋰離子電池的性能得到了極大的提高。

鋰電池組的比能量密度提高了近三倍，從不足200Wh/L提高到700Wh/L以上，生產(chǎn)成本約為原來的3%，目前可控的生產(chǎn)成本不到150元/千瓦時(shí)。但這仍然高于能源部計(jì)劃的100美元/千瓦時(shí)的目標(biāo)。目前50-100KW.h的動(dòng)力電池重約600公斤，體積也約為500L。

 

 

因?yàn)楝F(xiàn)在鋰電池的能量密度已經(jīng)接近理論上的最大值，LIB的能量密度正在逐漸放緩。電池市場的快速增長使得LIBs的價(jià)格削減更加遙不可及。相反，在過去兩年中，鋰離子電池產(chǎn)量的激增使用作電池材料的鈷的價(jià)格幾乎翻了兩番，從每公斤22美元到81美元不等。市場需求的增長和價(jià)格的快速上漲，鼓勵(lì)了一些生產(chǎn)商偷工減料，違反環(huán)境和安全法規(guī)。

例如，在中國，石墨礦釋放的粉塵破壞了農(nóng)作物，污染了村莊和飲用水。在非洲，一些礦工剝削兒童，在缺乏防毒面具和其他保護(hù)設(shè)備的小礦井中經(jīng)常違法。包括寶馬在內(nèi)的一些公司已經(jīng)制定了嚴(yán)格的政策來推動(dòng)其鈷供應(yīng)商，而其他電動(dòng)汽車制造商則沒有這樣做。電池材料的最簡單的解決方案是為常用金屬如鐵和銅開發(fā)廉價(jià)的轉(zhuǎn)換型電極。

電池材料中最有前途的轉(zhuǎn)換型陰極材料，如銅或鐵的氟化物或硅。它們以化學(xué)方式儲(chǔ)存鋰，但該技術(shù)仍處于早期階段。為了實(shí)際應(yīng)用，必須克服穩(wěn)定性、充電速度和制造問題。專家們呼吁材料科學(xué)家、工程師和資助機(jī)構(gòu)優(yōu)先考慮研究和開發(fā)基于豐富元素的電極。否則，電動(dòng)汽車的推廣將在十年內(nèi)受到嚴(yán)重打擊。

 

 

鎳和鈷是稀缺和昂貴的

在目前用于電動(dòng)汽車的商業(yè)電池中，作為電池材料的鋰離子被綁定在構(gòu)成電極的晶體中的微小空隙中（這些被稱為插層電極）。陽極通常由石墨制成，而陰極電極則由金屬氧化物制成。

用作電池材料的常見三元陰極材料包括鎳鈷鋁氧化物（NCA，例如LiNi0.8Co0.15Al0.05O2）或鎳鈷錳氧化物（NCM，例如LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2或LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2）。用作正極電極的100公斤鋰離子動(dòng)力電池材料通常需要6至12千克的鈷和36至48千克的鎳。

在電池材料中，鈷，通常是銅和鎳開采的副產(chǎn)品，也需要復(fù)雜的工藝來與其他金屬分離。大多數(shù)礦床只含有0.003%的鈷金屬，很少有鈷礦床的濃度高到值得開采。因此，盡管在地球上儲(chǔ)存的1015噸鈷中，只有107噸能被使用。同樣，在全球1015噸的鎳儲(chǔ)量中，只有108噸可用于電池材料的商業(yè)用途。

 

 

作為電池材料，富鈷礦物現(xiàn)在只在少數(shù)地方發(fā)現(xiàn)。非洲的剛果（DRC）在2015年提供了全球總量的一半（56%）的14.8萬噸鈷。其中大部分流向中國，中國有20萬至40萬噸的鈷庫存。澳大利亞的鈷儲(chǔ)量占全球的14%，已經(jīng)可以從深海海底開采，但這種成本、生態(tài)和經(jīng)濟(jì)成本太高，無法充分開發(fā)。

同樣，鎳的生產(chǎn)也是由十幾個(gè)國家主導(dǎo)。2017年，印度尼西亞、菲律賓、加拿大、新喀里多尼亞、俄羅斯和澳大利亞共同提供了全世界210萬噸礦石中的72%。但其中只有不到十分之一被用作鋰電池的電池材料，其余的主要用于鋼鐵和電子產(chǎn)品。

雖然鎳的開采成本比鈷低，但自2015年以來，需求的增長使鎳的價(jià)格從每公斤9美元提高到14美元，提高了約50%。在電池材料方面，鈷和鎳都經(jīng)歷了突然的價(jià)格上漲和崩潰。例如，澳大利亞的供應(yīng)中斷，中國對鋼鐵的需求增加，以及對沖基金經(jīng)理的投機(jī)行為，使鎳的價(jià)格上漲了兩倍，而鈷在2008-2009年上漲了兩倍。

 

鈷和鎳預(yù)計(jì)將出現(xiàn)短缺

如果這種情況繼續(xù)下去，鈷和鎳將在20年內(nèi)出現(xiàn)供應(yīng)缺口。隨著對LIB的需求持續(xù)增長，預(yù)計(jì)到2030年鈷將下降，到2037年鎳可能缺貨。盡管我們可以開采質(zhì)量差的礦石，但更高的加工成本將推高鈷鎳價(jià)格。

 

 

電動(dòng)汽車制造商和政府預(yù)計(jì)到2025年，每年將生產(chǎn)1000萬至2000萬輛電動(dòng)汽車。如果每個(gè)汽車電池需要10公斤的鈷作為電池材料，那么到2025年，僅電動(dòng)汽車每年就需要10萬至20萬噸的鈷，占當(dāng)今世界產(chǎn)量的大部分。同樣，每年需要40-80萬噸的鎳，相當(dāng)于今天所有金屬的20-40%。當(dāng)動(dòng)力電池被卡車、公共汽車、飛機(jī)、船舶和摩托車電池使用時(shí)，需要更多的電池。

到2050年，每年需要50-80萬噸鈷來生產(chǎn)5000-8000萬輛電動(dòng)汽車。2030年后，這將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前的采礦能力。同樣，到2050年，對鎳的需求將增加2-3倍。到2030年中期，鎳的短缺將是明顯的，回收將無法補(bǔ)充供應(yīng)。因?yàn)殇囯x子電池的壽命是15-20年，是鉛酸電池5-7年的3倍。一旦供應(yīng)達(dá)到頂峰，估計(jì)電動(dòng)汽車電池的價(jià)格可能會(huì)上漲1000美元以上。

 

未來電池材料的出路是什么？

答案是使用常規(guī)金屬（鐵、銅）來生產(chǎn)鋰離子電池材料的正極電極。例如，鐵是廉價(jià)的（低至6美分/公斤）和豐富的（760億噸）。由于傳統(tǒng)的富鐵材料（LiFePO4）和富錳材料（LiMnO2或LiMn2O4），作為電池材料使用，都有各種缺陷，最有希望的替代方法是在電極上使用 “替代正極材料”。如果你想了解更多關(guān)于正極材料的信息，請閱讀我們網(wǎng)站上的2022年中國五大磷酸鐵鋰正極材料公司。銅/氟化鐵和硅可以與鋰離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)鋰，并且可以容納比標(biāo)準(zhǔn)陰極電極多六倍的能量。

轉(zhuǎn)換正極材料的機(jī)制： 其電化學(xué)轉(zhuǎn)化反應(yīng)是一種不同于傳統(tǒng)的鋰離子插層/提取反應(yīng)的新型儲(chǔ)鋰機(jī)制。在反應(yīng)過程中存在多種電子轉(zhuǎn)移，因此基于電化學(xué)轉(zhuǎn)換反應(yīng)機(jī)制的電池材料中的電極材料具有非常高的理論比容量。

 

 

這類電極材料主要由過渡金屬氧化物、硫化物或氟化物組成，其中過渡金屬氟化物因其強(qiáng)離子鍵而具有較高的工作電位。這類電池材料更適合作為鋰離子電池的正極材料。其中，硅基材料非常適用于匹配。

一旦這兩種電池材料被成功使用，為電動(dòng)汽車提供動(dòng)力的電池就可以減少一半，而成本、重量和體積也可以減少一半或更多。但是為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，電池研究人員需要開發(fā)高性能的氟化物材料和更有效的電解質(zhì)。工程師需要努力開發(fā)使用這些材料的設(shè)備和工藝。

此外，用轉(zhuǎn)換材料作為電池材料制成的電池也有一些缺點(diǎn)，如電導(dǎo)率低，速率性能差；轉(zhuǎn)換材料和電解質(zhì)之間有嚴(yán)重的副反應(yīng)；陰陽極SEI膜較厚，有電壓滯后現(xiàn)象。充電后電極的膨脹和收縮比較嚴(yán)重。