未来电动车卖疯了，锂电池还够用吗？
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国家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绝对数量增长相形见绌。
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。
最可能出现的情况是，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
直接回收的方法是最经济和最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。
