未來(lái)電動(dòng)車，鋰電池還夠用嗎？

來(lái)源 / Tech Xplore，作者：Thamarasee Jeewandara

隨著世界轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車以減少氣候變化，量化未來(lái)對(duì)關(guān)鍵電池材料的需求非常重要。在一份新的報(bào)告中，徐成建（音）、伯恩哈德·斯圖賓（Bernhard Steubing）和荷蘭萊登大學(xué)與美國(guó)阿貢實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)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(yīng)鏈將需要大幅擴(kuò)張，可能還需要發(fā)現(xiàn)更多的資源。然而，相對(duì)于電動(dòng)汽車的車隊(duì)和每輛汽車電池容量的發(fā)展，不確定性很大。盡管在2050年前，閉環(huán)回收在減少主要材料需求方面發(fā)揮著較小但越來(lái)越重要的作用，但研究人員必須實(shí)施先進(jìn)的回收策略，以經(jīng)濟(jì)地從報(bào)廢電池中回收電池級(jí)材料。這項(xiàng)研究現(xiàn)已發(fā)表在《自然通訊材料》上。

預(yù)計(jì)到2050年，全球電動(dòng)汽車庫(kù)存發(fā)展。BEV：純電動(dòng)汽車，PHEV：插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車，STEP情景：陳述性政策情景，SD情景：可持續(xù)發(fā)展情景。出處：Nature Communications Materials，doi：10.1038 / s43246-020-00095-x

電動(dòng)汽車的發(fā)展

與內(nèi)燃機(jī)汽車相比，電動(dòng)汽車對(duì)氣候的影響較小。這一優(yōu)勢(shì)導(dǎo)致了需求的大幅增長(zhǎng)，全球車隊(duì)的數(shù)量從10年前的幾千輛增長(zhǎng)到2019年的750萬(wàn)輛。然而，全球汽車市場(chǎng)的平均水平仍然有限，預(yù)計(jì)未來(lái)的增長(zhǎng)將使過(guò)去的數(shù)量增長(zhǎng)相形見(jiàn)絀。

鋰離子電池（LIB）是目前電動(dòng)汽車的主導(dǎo)技術(shù)，典型的汽車鋰離子電池的負(fù)極是鋰、鈷和鎳，正極是石墨，其他部件是鋁和銅。電池技術(shù)目前正朝著新的和改進(jìn)的化學(xué)方向發(fā)展。

在這項(xiàng)工作中，徐等人研究了輕型電動(dòng)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(jìn)行的生產(chǎn)能力和已知儲(chǔ)量聯(lián)系起來(lái)，討論改善電池的關(guān)鍵因素。這項(xiàng)工作將通過(guò)洞察未來(lái)電池材料的需求，以及驅(qū)動(dòng)它的關(guān)鍵因素，來(lái)協(xié)助向電動(dòng)汽車的過(guò)渡。

電池市場(chǎng)份額和電動(dòng)汽車電池年銷量，直到2050年的車隊(duì)發(fā)展的步驟情景。（a）NCX場(chǎng)景。（b）LFP場(chǎng)景。（c）Li-S /Air場(chǎng)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(fù)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(dòng)汽車的數(shù)量增長(zhǎng)

研究小組根據(jù)國(guó)際能源署（IEA）的兩種設(shè)想，預(yù)測(cè)到2030年電動(dòng)汽車數(shù)量的增長(zhǎng)。其中包括與現(xiàn)行政府政策相關(guān)的既定政策（STEP），以及與《巴黎協(xié)定》氣候目標(biāo)相適應(yīng)的可持續(xù)發(fā)展（SD）設(shè)想（到2030年電動(dòng)汽車全球銷量達(dá)到30%）。

在這個(gè)分析中，徐等人將這些情景延長(zhǎng)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(xué)材料的選擇。

可能出現(xiàn)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(dǎo)致電池化學(xué)技術(shù)的發(fā)展。作為鋰離子電池正極材料的磷酸鐵鋰（LFP）有望在未來(lái)的電動(dòng)汽車中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。

雖然LFP電池的低比能會(huì)影響電動(dòng)汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性和續(xù)航里程，但LFP電池具有生產(chǎn)成本低、熱穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。LFP電池目前在公共汽車等商用運(yùn)輸車輛中很常見(jiàn)，但在包括特斯拉在內(nèi)的輕型電動(dòng)汽車中也有廣泛應(yīng)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(dòng)。（a）主要材料需求。（b）報(bào)廢電池的材料。STEP情景：所述政策情景、SD情景：可持續(xù)發(fā)展情景、Mt：百萬(wàn)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(xué)家們隨后評(píng)估了電動(dòng)汽車電池的全球需求，并注意到鋰的需求增長(zhǎng)僅受到電池的特定化學(xué)成分的輕微影響，而鎳和鈷的特定化學(xué)成分對(duì)其需求的影響更大。

該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步預(yù)測(cè)，從2020年到2050年，鋰離子電池的需求將會(huì)增加，鎳電池的需求也會(huì)隨之增加。通過(guò)這種方式，他們預(yù)測(cè)，從2020年到2050年，鋰的累積需求為730 – 1830萬(wàn)噸，鈷為350-1680萬(wàn)噸，鎳為1810-8890萬(wàn)噸。

徐等人接下來(lái)展示了報(bào)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(chǎn)?，F(xiàn)有的電動(dòng)汽車電池商業(yè)回收方法包括火冶金法和濕冶金法?；鸱ɑ厥瞻A(yù)處理后將整個(gè)電池或電池部件進(jìn)行冶煉。濕法冶金是在酸浸的基礎(chǔ)上，通過(guò)溶劑萃取和沉淀法回收電池材料。

在閉環(huán)回收中，可以在火法冶金處理之后進(jìn)行濕法冶金處理，將合金轉(zhuǎn)化為金屬鹽。直接回收的目的是在保持負(fù)極材料化學(xué)結(jié)構(gòu)的同時(shí)回收負(fù)極材料，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的目的，但這種方法目前還處于發(fā)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(huán)，以及哪些材料可以回收。實(shí)際上，并非所有材料都要經(jīng)過(guò)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(chǎn)負(fù)極材料，而直接回收的目的是直接回收負(fù)極材料。在火法和濕法冶金回收中，回收鋰可能不經(jīng)濟(jì)，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(dòng)汽車的前景

通過(guò)這種方式，徐成建、伯恩哈德·斯圖賓和同事們開(kāi)發(fā)了一些模型，展示鋰、鎳和鈷的電池產(chǎn)能將不得不大幅增加，因?yàn)殡妱?dòng)汽車的需求甚至可能在2025年前就超過(guò)目前的產(chǎn)量。電池材料可以在不超過(guò)現(xiàn)有生產(chǎn)能力的情況下供應(yīng)，但必須增加供應(yīng)以滿足其他部門的需求。

隨著潛在的新儲(chǔ)量的發(fā)現(xiàn)，上述的供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)可能會(huì)改變。對(duì)電池容量的需求將取決于技術(shù)因素，如汽車設(shè)計(jì)、重量和燃油效率，以及車隊(duì)規(guī)模和消費(fèi)者對(duì)電動(dòng)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(huán)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(jī)械恢復(fù)?；尹c(diǎn)表示二次利用推遲了回收時(shí)間，降低了閉環(huán)回收的潛力，從而降低了未來(lái)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(jīng)濟(jì)和有利于環(huán)境的閉環(huán)回收過(guò)程，因?yàn)樗梢曰厥肇?fù)極材料而不需要冶煉和浸出過(guò)程。成功地向電動(dòng)汽車過(guò)渡，將取決于可持續(xù)的材料供應(yīng)，以跟上該行業(yè)的增長(zhǎng)。

科學(xué)的可持續(xù)性評(píng)估，包括化學(xué)物質(zhì)的生命周期評(píng)估，將指導(dǎo)替代電池化學(xué)物質(zhì)和原材料的選擇。本研究預(yù)測(cè)的全球需求也為監(jiān)測(cè)電動(dòng)汽車及其電池對(duì)全球經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)的影響提供了平臺(tái)。