隨著電動(dòng)汽車市場(chǎng)的持續(xù)增長(zhǎng)，對(duì)某些電池原材料的需求可能變得至關(guān)重要。
2012年，全球電動(dòng)汽車（EV）銷售總量約為125,000輛。2020年，包含電池電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力車在內(nèi)，共銷售320萬(wàn)輛，2021年預(yù)計(jì)全球電動(dòng)汽車銷量將超過(guò)600萬(wàn)輛。到2030年，每年新電動(dòng)汽車銷量預(yù)計(jì)達(dá)到3000萬(wàn)輛。隨著業(yè)務(wù)量繼續(xù)急劇增長(zhǎng)，生產(chǎn)電動(dòng)車電池的原材料也隨之大幅增長(zhǎng)。目前，世界電池需求在280GW，到2030年需求量將達(dá)到2000GW至4000GW之間。
選擇電池使用的鋰離子化學(xué)，鎳鈷錳（NCM）或磷酸鐵鋰（LFP）為正極材料。鎳鈷錳電池有更顯著的能量密度，使電動(dòng)汽車有更長(zhǎng)的續(xù)航里程，但是價(jià)格也非常高。
由于鎳鈷錳鋰離子電池滿足了許多電動(dòng)汽車駕駛員的需求，它們將繼續(xù)主導(dǎo)市場(chǎng)。這些電池面臨各種各樣的供應(yīng)問(wèn)題，像是鎳、鈷與鋰的采購(gòu)，用來(lái)制造電池。
在9月中旬美國(guó)密歇根州諾維舉行的The Battery Show電池展，主題有電池原材料、精煉與替代電池化學(xué)品等話題。以下是我們從一些頂尖專家的各種演講和討論中獲得的一些見(jiàn)解。
Nickel鎳
高能量密度與高功率密度商用鋰離子電池都采用是鎳基陰極。氧化鎳與錳和鈷的結(jié)合制成鎳鈷錳電極，呈晶體結(jié)構(gòu)，可接受放電過(guò)程中來(lái)自石墨陽(yáng)極的鋰離子，也可在充電過(guò)程中使鋰離子返回陽(yáng)極。
最初，鎳鈷錳陰極包含等量的鎳、錳和鈷（NMC 111），然而鈷的成本太高，其供應(yīng)問(wèn)題是研究人員致力于減少甚至消除鈷在陰極結(jié)構(gòu)中的含量。NMC811（鈷的含量?jī)H占10%）已經(jīng)出現(xiàn)在一些電動(dòng)汽車制造商的電池中。通用汽車（GM）與LG新能源生產(chǎn)的新型Ultium電池中鎳、鈷、錳的比例分別是90%、5%、5%。
直到兩年前，需求鎳的最多的是不銹鋼，但是現(xiàn)在電池生產(chǎn)已經(jīng)成為主要市場(chǎng)。不幸的是，生產(chǎn)電池所需必須是一級(jí)鎳，純度在99.99999%，這要比生產(chǎn)不銹鋼所用的鎳鐵級(jí)（含有30%-50%的鐵）的成本高出許多。利用高壓酸浸（HPAL）這種方法將鎳鐵煉制成一級(jí)鎳是非常昂貴的，每公噸的成本在5000至6000美元之間，而且對(duì)環(huán)境也會(huì)造成不好的影響。
鎳在一輛擁有75kWh鋰離子電池組的特斯拉中含量有70公斤，占整個(gè)電池組的10%。像是特斯拉和大眾等主要OEM汽車制造商正在為未來(lái)的生產(chǎn)簽訂鎳合同。只有三家可以生產(chǎn)鎳的大型公司能夠生產(chǎn)出主要OEM想要的25,000至50,000公噸的鎳，其他公司規(guī)模較小且生產(chǎn)量少，每年只能產(chǎn)出大約3000至6000公噸。
一級(jí)鎳的價(jià)格目前大約每公噸20,000美元，但如果他們講鎳的價(jià)格提升至每公噸45,000至60,000美元，有望推行其他解決方案，例如鋰硫，并將獲得更多的研究資金。
Lithium鋰
我們雖稱鋰離子電池，但實(shí)際上鋰的重量?jī)H占2%。鋰在充電過(guò)程中以離子的形式在陰極（正極）與陽(yáng)極（負(fù)極）之間移動(dòng)，放電時(shí)以反方向移動(dòng)。因此，即便鋰的含量不多，但起到重要作用。
鋰的來(lái)源主要有兩種途徑。鋰輝石是一種礦物質(zhì)，其中含有鋰，通過(guò)硬巖開(kāi)采成為澳大利亞電池材料最大供應(yīng)商之一，占世界產(chǎn)量的53%。它在露天礦開(kāi)采，經(jīng)過(guò)一些初步處理，運(yùn)往中國(guó)，轉(zhuǎn)化為氫氧化鋰電池材料。
鋰電池材料的另一主要資源在南美洲，富含鋰的鹽水是從地下含水層抽取，并分布在巨大的太陽(yáng)能池中。3-5年后，水蒸發(fā)后留下鹽分，鋰便從這些鹽分中提取、加工，運(yùn)送到中國(guó)，使其成為碳酸鋰電池的原材料。智利生產(chǎn)鋰占全球21.5%，阿根廷占8.3%，巴西與玻利維亞等地還在開(kāi)發(fā)中。
前幾年，鋰的總產(chǎn)量每年大約在120,000公噸至130,000公噸。而今年產(chǎn)量超過(guò)300,000公噸，來(lái)自McKinsey & Co.的Ken Hoffman在The Battery Show上表示2030的預(yù)計(jì)需求將達(dá)到每年200萬(wàn) 至300萬(wàn)公噸?，F(xiàn)在，鋰的長(zhǎng)期價(jià)格在每公噸12,000美元至15,000美元之間，但最近幾年，價(jià)格也出現(xiàn)了波動(dòng)。
電池中除了碳酸鋰和氫氧化鋰材料，還有許多鋰產(chǎn)品。碳酸鋰從鹽水中提取，成本很便宜。大約一半的NCM 622陰極使用碳酸鹽，但一旦鎳的含量超過(guò)60%，需要使用氫氧化鋰才能獲得可接受的結(jié)果。一個(gè)原因可能是碳酸鹽具有大的不規(guī)則形狀的顆粒，而氫氧化物是水溶性的，在初始鋰化反應(yīng)過(guò)程中更容易進(jìn)入陰極結(jié)構(gòu)。
從地質(zhì)學(xué)角度說(shuō)，全球有很多鋰，甚至還存在海水中，但提取鋰并將其提煉成電池材料的成本很高。目前，對(duì)大多數(shù)的鋰材料都來(lái)自中國(guó)。
Cobalt鈷
鈷也是電池材料的一種，通常在鋰離子電池中認(rèn)為是不好的。電池在放電過(guò)程中，鋰離子儲(chǔ)存在晶格中時(shí)，鈷可以有助于氧化鎳正極材料結(jié)構(gòu)。剛果民主共和國(guó)（The Democratic Republic of the Congo）可以生產(chǎn)鈷占全球60%。
剛果的政治局勢(shì)不穩(wěn)定，盡管大多數(shù)鈷產(chǎn)自經(jīng)營(yíng)礦山，但有人指出少量鈷是通過(guò)童工和侵犯人權(quán)的開(kāi)采的，這讓世界各地的汽車公司感到緊張，他們需要確保電池中使用的鈷只來(lái)自正規(guī)渠道。
目前，每年用于電池生產(chǎn)的鈷大約150,000至160,000公噸，再加上來(lái)源問(wèn)題，鈷是昂貴的，研究人員已經(jīng)開(kāi)始放棄使用鋰離子電池中鈷元素了。最初的NCM111陰極材料中含有33%的鈷，現(xiàn)在的陰極材料NCM811只含有10%的鈷，新Ultima電池使用NCM955的鈷含量?jī)H占5%。特斯拉使用鎳鈷鋁（NCA）電池僅含有3%的鈷。
鈷昂貴的其中一個(gè)原因是它是銅和鎳開(kāi)采的副產(chǎn)品，只有少數(shù)公司控制其生產(chǎn)，因此價(jià)格昂貴。隨著時(shí)間的推移，電池陰極對(duì)鈷的需求越來(lái)越少，回收利用將成為鈷的良好來(lái)源，高成本使其成為循環(huán)經(jīng)濟(jì)的驅(qū)動(dòng)力之一。
Copper銅
由于電池是電氣設(shè)備，所以線路和電路布局也是會(huì)使用到銅的。汽車實(shí)際上是移動(dòng)電腦系統(tǒng)，因此電纜和連接器增加了對(duì)高導(dǎo)電金屬的需求。
電動(dòng)汽車中用于電動(dòng)機(jī)繞組和電線中使用大量的銅，如果不將其。直接使用在鋰離子電池，則銅將成為電氣化成本的重要組成部分。一輛電動(dòng)汽車的銅含量大約是內(nèi)燃機(jī)（ICE）汽車的四倍。部分原因是由于所有的汽車都安裝各種安全和娛樂(lè)系統(tǒng)，因此所需的線路增加，還有一部分原因是由于電池組內(nèi)部使用的銅箔厚度減小所致。背面使用一層薄薄的銅箔作為集電器（非電解液）收集電子流并使其變薄的石墨陽(yáng)極的一側(cè)減少了電動(dòng)汽車中銅的總重量。銅在內(nèi)燃機(jī)汽車中大約占23-26公斤，而在電動(dòng)汽車中占37-55公斤。
雖然更薄的箔和更高效的電線減少銅在電動(dòng)汽車的數(shù)量，但是快速充電和廣泛的公共充電設(shè)施的轉(zhuǎn)變?cè)陔姎饣煌ㄏ到y(tǒng)中將需要更大量的銅。
銅在全世界都有開(kāi)車，其價(jià)值足以在鋰離子電池中回收。大量的銅被用于電動(dòng)汽繞組中，電動(dòng)汽車中使用的電線也是也是回收目標(biāo)。
Manganese錳
錳與鎳和鈷混合在鋰離子電池陰極中可以提高電池能量，延長(zhǎng)電池壽命。錳可以容納很多電子（如鎳），但是不能釋放很多，所以使錳電池的能量密度降低。
錳是地球上最富有的金屬元素，與鈷和鎳相比之下錳的成本最低，所以在陰極中增加錳元素可以減少電池的成本。如果鎳的價(jià)格飆升，那么可能就會(huì)制造出高錳電池（錳含量超過(guò)50%），盡管鎳錳電池的能量密度是每公斤260-280瓦時(shí)（Wh/kg），但也無(wú)法達(dá)到高鎳鋰離子電池所能提供能量密度。
錳最初在非洲、澳大利亞、南美開(kāi)采，消耗的90%的錳作為合金元素用于煉鋼。作為電池材料，錳必須具有非常高的純度。錳相對(duì)容易回收，但作為一種原始金屬，它的低成本無(wú)助于鋰離子回收的經(jīng)濟(jì)性。
Aluminum鋁
鋰離子電池中鋁幾乎占了三分之一。幾乎在所有情況下，鋁不會(huì)參與任何電化學(xué)反應(yīng)。相反，鋁箔被用于氧化鋅陰極（正極）的背襯和集電器。在制造過(guò)程中，將含鎳漿料或泥漿涂在鋁箔上，并在烘箱中烘干，形成電極。
特斯拉和松下使用一種電池化學(xué)反應(yīng)鎳鈷鋁（NCA），鋁作為陰極材料的一部分，使其與部分電化學(xué)反應(yīng)。鎳鈷鋁電池以高功率輸出而聞名，這也是特斯拉選擇這種電池的原因。
鋁分布在全球的各個(gè)礦物鋁土礦。這種輕質(zhì)金屬需要大量的電力才能從礦石中提煉出來(lái)，因此鋁廠通常位于能夠獲得低成本水力發(fā)電的地區(qū)。
Lithium-Iron-Phosphate (LFP)磷酸鐵鋰
由于磷酸鐵鋰（LFP）電池的陰極不含鎳或鈷，因此磷酸鐵鋰電池的陰極成本要比鎳鈷錳陰極便宜很多。磷酸鐵鋰電池被認(rèn)為是比鎳鈷錳陰極更安全的陰極，并且更牢固。
磷酸鐵鋰的缺點(diǎn)是能量密度。磷酸鐵鋰電池可以產(chǎn)生170Wh/kg，與鎳鈷錳提供的300Wh/kg相比較差。所以在同等大小的電池組下，電動(dòng)汽車的續(xù)航里程較短。
盡管有各種局限性，最近很多人對(duì)磷酸鐵鋰重新產(chǎn)生了興趣。并不是每輛電動(dòng)汽車都需要有超過(guò)300英里的續(xù)航里程，對(duì)于市區(qū)或通勤來(lái)說(shuō)，磷酸鐵鋰電池或許已經(jīng)綽綽有余了，電池的成本也可以節(jié)約25%。由于磷酸鐵鋰電池的安全性能更高，可以去除一些電池監(jiān)控和安全系統(tǒng)，可以為更多電池提供空間。特斯拉正在中國(guó)生產(chǎn)的Model3內(nèi)使用磷酸鐵鋰電池，大眾汽車表示磷酸鐵鋰將來(lái)在體積更小、性能稍低的電動(dòng)汽車生產(chǎn)線中有更好的前景。
儲(chǔ)存太陽(yáng)能和風(fēng)能的可再生能源的固定電池也是磷酸鐵鋰電池的一個(gè)良好應(yīng)用。成本低、穩(wěn)定性高、循環(huán)性號(hào)、安全性以及缺少貴重的鎳和鈷材料使磷酸鐵鋰在各個(gè)應(yīng)用中更有吸引力。
Lithium-Sulfur硫化鋰
如果鎳的價(jià)格完全失控，鋰硫電池準(zhǔn)備就緒。硫磺資源豐富且價(jià)格低廉，再有成本優(yōu)勢(shì)，鋰硫電池的存儲(chǔ)能力是同等重量的鋰離子電池2-5倍的能量，最高可達(dá)900Wh/kg。
然而，需要解決的一個(gè)問(wèn)題是鋰硫電池中硫電極隨著鋰離子從硫陰極插入和去除而呈現(xiàn)出大幅度膨脹和收縮，導(dǎo)致鋰硫電池迅速劣化，減少鋰的儲(chǔ)存量。電解液也會(huì)與暴露的硫發(fā)生反應(yīng)，合成化合物，在相對(duì)較少的循環(huán)次數(shù)內(nèi)降低電池容量。這些問(wèn)題正在研究中，人們對(duì)鋰硫電池的達(dá)到共識(shí)還需要幾代人的時(shí)間。
中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì) 楊柳翻譯
