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未来电动车,锂电池还够用吗?

2020-12-30

来源 / Tech Xplore,作者:Thamarasee Jeewandara

随着世界转向电动汽车以减少气候变化,量化未来对关键电池材料的需求非常重要。在一份新的报告中,徐成建(音)、伯恩哈德·斯图宾(Bernhard Steubing)和荷兰莱登大学与美国阿贡实验室的一个研究团队显示,从2020年到2050年,锂、镍、钴和锰氧化物为主的电池的需求将增加很多倍。

因此,锂、钴和镍的供应链将需要大幅扩张,可能还需要发现更多的资源。然而,相对于电动汽车的车队和每辆汽车电池容量的发展,不确定性很大。尽管在2050年前,闭环回收在减少主要材料需求方面发挥着较小但越来越重要的作用,但研究人员必须实施先进的回收策略,以经济地从报废电池中回收电池级材料。这项研究现已发表在《自然通讯材料》上。

预计到2050年,全球电动汽车库存发展。BEV:纯电动汽车,PHEV:插电式混合动力电动汽车,STEP情景:陈述性政策情景,SD情景:可持续发展情景。出处:Nature Communications Materials,doi:10.1038 / s43246-020-00095-x

电动汽车的发展

与内燃机汽车相比,电动汽车对气候的影响较小。这一优势导致了需求的大幅增长,全球车队的数量从10年前的几千辆增长到2019年的750万辆。然而,全球汽车市场的平均水平仍然有限,预计未来的增长将使过去的数量增长相形见绌。

锂离子电池(LIB)是目前电动汽车的主导技术,典型的汽车锂离子电池的负极是锂、钴和镍,正极是石墨,其他部件是铝和铜。电池技术目前正朝着新的和改进的化学方向发展。

在这项工作中,徐等人研究了轻型电动汽车电池的全球材料需求,从锂、镍、钴到石墨和硅,并将材料需求与正在进行的生产能力和已知储量联系起来,讨论改善电池的关键因素。这项工作将通过洞察未来电池材料的需求,以及驱动它的关键因素,来协助向电动汽车的过渡。

电池市场份额和电动汽车电池年销量,直到2050年的车队发展的步骤情景。(a)NCX场景。(b)LFP场景。(c)Li-S /Air场景。LFP:磷酸铁锂电池、NCM:镍钴锰锂电池,NCM111、NCM523、NCM622、NCM811、NCM955表示镍、钴、锰的比例。NCA:锂镍钴铝电池、Graphite(Si):含硅石墨负极、Li-S:锂硫锂电池、Li-Air:锂-空气电池、TWh 109kwh。出处:Nature Communications Materials, doi: 10.1038/s43246-020-00095-x

电动汽车的数量增长

研究小组根据国际能源署(IEA)的两种设想,预测到2030年电动汽车数量的增长。其中包括与现行政府政策相关的既定政策(STEP),以及与《巴黎协定》气候目标相适应的可持续发展(SD)设想(到2030年电动汽车全球销量达到30%)。

在这个分析中,徐等人将这些情景延长到2050年。为了满足STEP方案,到2050年,每年大约需要6TWh的电池容量。材料要求将取决于目前考虑的三种电池化学材料的选择。

可能出现的情况是,锂镍钴铝电池(NCA)和锂镍钴锰电池(NCM)的广泛使用(后面称为NCX,其中X代表铝或锰)。到2030年,这将导致电池化学技术的发展。作为锂离子电池正极材料的磷酸铁锂(LFP)有望在未来的电动汽车中得到越来越多的应用。

虽然LFP电池的低比能会影响电动汽车的燃油经济性和续航里程,但LFP电池具有生产成本低、热稳定性好、寿命长等优点。LFP电池目前在公共汽车等商用运输车辆中很常见,但在包括特斯拉在内的轻型电动汽车中也有广泛应用的前景。

在NCX、LFP和Li-S/Air电池情景下,锂、镍和钴的电池材料从2020年到2050年流动。(a)主要材料需求。(b)报废电池的材料。STEP情景:所述政策情景、SD情景:可持续发展情景、Mt:百万吨。出处:Nature Communications Materials, doi: 10.1038/s43246-020-00095-x

电池材料需求和回收潜力

科学家们随后评估了电动汽车电池的全球需求,并注意到锂的需求增长仅受到电池的特定化学成分的轻微影响,而镍和钴的特定化学成分对其需求的影响更大。

该团队进一步预测,从2020年到2050年,锂离子电池的需求将会增加,镍电池的需求也会随之增加。通过这种方式,他们预测,从2020年到2050年,锂的累积需求为730 – 1830万吨,钴为350-1680万吨,镍为1810-8890万吨。

徐等人接下来展示了报废电池中的材料,并讨论了如何回收这些材料有助于减少主要材料的生产。现有的电动汽车电池商业回收方法包括火冶金法和湿冶金法。火法回收包括预处理后将整个电池或电池部件进行冶炼。湿法冶金是在酸浸的基础上,通过溶剂萃取和沉淀法回收电池材料。

在闭环回收中,可以在火法冶金处理之后进行湿法冶金处理,将合金转化为金属盐。直接回收的目的是在保持负极材料化学结构的同时回收负极材料,以达到经济和环保的目的,但这种方法目前还处于发展的初期阶段。

概念示意图展示了三种考虑的回收方案如何闭合电池材料循环,以及哪些材料可以回收。实际上,并非所有材料都要经过所有加工步骤。例如,火法回收(冶炼)仍然需要湿法冶金处理(浸出)才能生产负极材料,而直接回收的目的是直接回收负极材料。在火法和湿法冶金回收中,回收锂可能不经济,在火法冶金回收中,石墨被焚化,铝不能从炉渣中回收。出处:Nature Communications Materials, doi: 10.1038/s43246-020-00095-x

电动汽车的前景

通过这种方式,徐成建、伯恩哈德·斯图宾和同事们开发了一些模型,展示锂、镍和钴的电池产能将不得不大幅增加,因为电动汽车的需求甚至可能在2025年前就超过目前的产量。电池材料可以在不超过现有生产能力的情况下供应,但必须增加供应以满足其他部门的需求。

随着潜在的新储量的发现,上述的供应风险可能会改变。对电池容量的需求将取决于技术因素,如汽车设计、重量和燃油效率,以及车队规模和消费者对电动汽车大小和里程的选择。

STEP情景下电池材料在2020-2029、2030-2039和2040-2050年的闭环回收潜力。湿法冶金回收可用于NCX电池和LFP电池,也可用于Li-S电池和Li-Air电池的机械恢复。灰点表示二次利用推迟了回收时间,降低了闭环回收的潜力,从而降低了未来几十年二次材料的可获得性。出处:Nature Communications Materials, doi: 10.1038/s43246-020-00095-x

直接回收的方法是经济和有利于环境的闭环回收过程,因为它可以回收负极材料而不需要冶炼和浸出过程。成功地向电动汽车过渡,将取决于可持续的材料供应,以跟上该行业的增长。

科学的可持续性评估,包括化学物质的生命周期评估,将指导替代电池化学物质和原材料的选择。本研究预测的全球需求也为监测电动汽车及其电池对全球经济、环境和社会的影响提供了平台。

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