簡介

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

 

電池材料的核心論點

用于動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。

電動汽車需要動力源。動力電池的比能量、壽命、安全性和價格對純電動汽車的發(fā)展至關重要，而鋰離子電池具有高比能量、低自放電和長壽命的優(yōu)點，是最實用的電動汽車電池。經過20多年的技術進步，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，生產成本約為原來的3%，目前可控的生產成本不到150元/千瓦時。但這仍然高于能源部計劃的100美元/千瓦時的目標。目前50-100KW.h的動力電池重約600公斤，體積也約為500L。

 

 

因為現(xiàn)在鋰電池的能量密度已經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的價格削減更加遙不可及。相反，在過去兩年中，鋰離子電池產量的激增使用作電池材料的鈷的價格幾乎翻了兩番，從每公斤22美元到81美元不等。市場需求的增長和價格的快速上漲，鼓勵了一些生產商偷工減料，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設備的小礦井中經常違法。包括寶馬在內的一些公司已經制定了嚴格的政策來推動其鈷供應商，而其他電動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)廉價的轉換型電極。

電池材料中最有前途的轉換型陰極材料，如銅或鐵的氟化物或硅。它們以化學方式儲存鋰，但該技術仍處于早期階段。為了實際應用，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家、工程師和資助機構優(yōu)先考慮研究和開發(fā)基于豐富元素的電極。否則，電動汽車的推廣將在十年內受到嚴重打擊。

 

 

鎳和鈷是稀缺和昂貴的

在目前用于電動汽車的商業(yè)電池中，作為電池材料的鋰離子被綁定在構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品，也需要復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，盡管在地球上儲存的1015噸鈷中，只有107噸能被使用。同樣，在全球1015噸的鎳儲量中，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。澳大利亞的鈷儲量占全球的14%，已經可以從深海海底開采，但這種成本、生態(tài)和經濟成本太高，無法充分開發(fā)。

同樣，鎳的生產也是由十幾個國家主導。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，鈷和鎳都經歷了突然的價格上漲和崩潰。例如，澳大利亞的供應中斷，中國對鋼鐵的需求增加，以及對沖基金經理的投機行為，使鎳的價格上漲了兩倍，而鈷在2008-2009年上漲了兩倍。

 

鈷和鎳預計將出現(xiàn)短缺

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

 

 

電動汽車制造商和政府預計到2025年，每年將生產1000萬至2000萬輛電動汽車。如果每個汽車電池需要10公斤的鈷作為電池材料，那么到2025年，僅電動汽車每年就需要10萬至20萬噸的鈷，占當今世界產量的大部分。同樣，每年需要40-80萬噸的鎳，相當于今天所有金屬的20-40%。當動力電池被卡車、公共汽車、飛機、船舶和摩托車電池使用時，需要更多的電池。

到2050年，每年需要50-80萬噸鈷來生產5000-8000萬輛電動汽車。2030年后，這將遠遠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，回收將無法補充供應。因為鋰離子電池的壽命是15-20年，是鉛酸電池5-7年的3倍。一旦供應達到頂峰，估計電動汽車電池的價格可能會上漲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）來生產鋰離子電池材料的正極電極。例如，鐵是廉價的（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于正極材料的信息，請閱讀我們網站上的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)生化學反應，實現(xiàn)儲鋰，并且可以容納比標準陰極電極多六倍的能量。

轉換正極材料的機制： 其電化學轉化反應是一種不同于傳統(tǒng)的鋰離子插層/提取反應的新型儲鋰機制。在反應過程中存在多種電子轉移，因此基于電化學轉換反應機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，為電動汽車提供動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。但是為了實現(xiàn)這一目標，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。工程師需要努力開發(fā)使用這些材料的設備和工藝。

此外，用轉換材料作為電池材料制成的電池也有一些缺點，如電導率低，速率性能差；轉換材料和電解質之間有嚴重的副反應；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重。