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未來電動車,鋰電池還夠用嗎?

2020-12-30

來源 / Tech Xplore,作者:Thamarasee Jeewandara

隨著世界轉向電動汽車以減少氣候變化,量化未來對關鍵電池材料的需求非常重要。在一份新的報告中,徐成建(音)、伯恩哈德·斯圖賓(Bernhard Steubing)和荷蘭萊登大學與美國阿貢實驗室的一個研究團隊顯示,從2020年到2050年,鋰、鎳、鈷和錳氧化物為主的電池的需求將增加很多倍。

因此,鋰、鈷和鎳的供應鏈將需要大幅擴張,可能還需要發現更多的資源。然而,相對于電動汽車的車隊和每輛汽車電池容量的發展,不確定性很大。盡管在2050年前,閉環回收在減少主要材料需求方面發揮著較小但越來越重要的作用,但研究人員必須實施先進的回收策略,以經濟地從報廢電池中回收電池級材料。這項研究現已發表在《自然通訊材料》上。

預計到2050年,全球電動汽車庫存發展。BEV:純電動汽車,PHEV:插電式混合動力電動汽車,STEP情景:陳述性政策情景,SD情景:可持續發展情景。出處:Nature Communications Materials,doi:10.1038 / s43246-020-00095-x

電動汽車的發展

與內燃機汽車相比,電動汽車對氣候的影響較小。這一優勢導致了需求的大幅增長,全球車隊的數量從10年前的幾千輛增長到2019年的750萬輛。然而,全球汽車市場的平均水平仍然有限,預計未來的增長將使過去的數量增長相形見絀。

鋰離子電池(LIB)是目前電動汽車的主導技術,典型的汽車鋰離子電池的負極是鋰、鈷和鎳,正極是石墨,其他部件是鋁和銅。電池技術目前正朝著新的和改進的化學方向發展。

在這項工作中,徐等人研究了輕型電動汽車電池的全球材料需求,從鋰、鎳、鈷到石墨和硅,并將材料需求與正在進行的生產能力和已知儲量聯系起來,討論改善電池的關鍵因素。這項工作將通過洞察未來電池材料的需求,以及驅動它的關鍵因素,來協助向電動汽車的過渡。

電池市場份額和電動汽車電池年銷量,直到2050年的車隊發展的步驟情景。(a)NCX場景。(b)LFP場景。(c)Li-S /Air場景。LFP:磷酸鐵鋰電池、NCM:鎳鈷錳鋰電池,NCM111、NCM523、NCM622、NCM811、NCM955表示鎳、鈷、錳的比例。NCA:鋰鎳鈷鋁電池、Graphite(Si):含硅石墨負極、Li-S:鋰硫鋰電池、Li-Air:鋰-空氣電池、TWh 109kwh。出處:Nature Communications Materials, doi: 10.1038/s43246-020-00095-x

電動汽車的數量增長

研究小組根據國際能源署(IEA)的兩種設想,預測到2030年電動汽車數量的增長。其中包括與現行政府政策相關的既定政策(STEP),以及與《巴黎協定》氣候目標相適應的可持續發展(SD)設想(到2030年電動汽車全球銷量達到30%)。

在這個分析中,徐等人將這些情景延長到2050年。為了滿足STEP方案,到2050年,每年大約需要6TWh的電池容量。材料要求將取決于目前考慮的三種電池化學材料的選擇。

可能出現的情況是,鋰鎳鈷鋁電池(NCA)和鋰鎳鈷錳電池(NCM)的廣泛使用(后面稱為NCX,其中X代表鋁或錳)。到2030年,這將導致電池化學技術的發展。作為鋰離子電池正極材料的磷酸鐵鋰(LFP)有望在未來的電動汽車中得到越來越多的應用。

雖然LFP電池的低比能會影響電動汽車的燃油經濟性和續航里程,但LFP電池具有生產成本低、熱穩定性好、壽命長等優點。LFP電池目前在公共汽車等商用運輸車輛中很常見,但在包括特斯拉在內的輕型電動汽車中也有廣泛應用的前景。

在NCX、LFP和Li-S/Air電池情景下,鋰、鎳和鈷的電池材料從2020年到2050年流動。(a)主要材料需求。(b)報廢電池的材料。STEP情景:所述政策情景、SD情景:可持續發展情景、Mt:百萬噸。出處:Nature Communications Materials, doi: 10.1038/s43246-020-00095-x

電池材料需求和回收潛力

科學家們隨后評估了電動汽車電池的全球需求,并注意到鋰的需求增長僅受到電池的特定化學成分的輕微影響,而鎳和鈷的特定化學成分對其需求的影響更大。

該團隊進一步預測,從2020年到2050年,鋰離子電池的需求將會增加,鎳電池的需求也會隨之增加。通過這種方式,他們預測,從2020年到2050年,鋰的累積需求為730 – 1830萬噸,鈷為350-1680萬噸,鎳為1810-8890萬噸。

徐等人接下來展示了報廢電池中的材料,并討論了如何回收這些材料有助于減少主要材料的生產?,F有的電動汽車電池商業回收方法包括火冶金法和濕冶金法?;鸱ɑ厥瞻A處理后將整個電池或電池部件進行冶煉。濕法冶金是在酸浸的基礎上,通過溶劑萃取和沉淀法回收電池材料。

在閉環回收中,可以在火法冶金處理之后進行濕法冶金處理,將合金轉化為金屬鹽。直接回收的目的是在保持負極材料化學結構的同時回收負極材料,以達到經濟和環保的目的,但這種方法目前還處于發展的初期階段。

概念示意圖展示了三種考慮的回收方案如何閉合電池材料循環,以及哪些材料可以回收。實際上,并非所有材料都要經過所有加工步驟。例如,火法回收(冶煉)仍然需要濕法冶金處理(浸出)才能生產負極材料,而直接回收的目的是直接回收負極材料。在火法和濕法冶金回收中,回收鋰可能不經濟,在火法冶金回收中,石墨被焚化,鋁不能從爐渣中回收。出處:Nature Communications Materials, doi: 10.1038/s43246-020-00095-x

電動汽車的前景

通過這種方式,徐成建、伯恩哈德·斯圖賓和同事們開發了一些模型,展示鋰、鎳和鈷的電池產能將不得不大幅增加,因為電動汽車的需求甚至可能在2025年前就超過目前的產量。電池材料可以在不超過現有生產能力的情況下供應,但必須增加供應以滿足其他部門的需求。

隨著潛在的新儲量的發現,上述的供應風險可能會改變。對電池容量的需求將取決于技術因素,如汽車設計、重量和燃油效率,以及車隊規模和消費者對電動汽車大小和里程的選擇。

STEP情景下電池材料在2020-2029、2030-2039和2040-2050年的閉環回收潛力。濕法冶金回收可用于NCX電池和LFP電池,也可用于Li-S電池和Li-Air電池的機械恢復?;尹c表示二次利用推遲了回收時間,降低了閉環回收的潛力,從而降低了未來幾十年二次材料的可獲得性。出處:Nature Communications Materials, doi: 10.1038/s43246-020-00095-x

直接回收的方法是經濟和有利于環境的閉環回收過程,因為它可以回收負極材料而不需要冶煉和浸出過程。成功地向電動汽車過渡,將取決于可持續的材料供應,以跟上該行業的增長。

科學的可持續性評估,包括化學物質的生命周期評估,將指導替代電池化學物質和原材料的選擇。本研究預測的全球需求也為監測電動汽車及其電池對全球經濟、環境和社會的影響提供了平臺。

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