研究人员分析车用锂基电池的未来材料需求

新能源汽车讯 为了减缓气候变化，全球的电动汽车使用量日益增加。因此，对关键电池材料的未来需求进行量化，具有重要意义。据外媒报道，在一份新报告中，荷兰莱顿大学（Leiden University）和美国阿贡国家实验室的研究团队提出，2020-2050年期间，对以锂、镍、钴和锰氧化物为主的电池需求将翻倍增长，因此需要大幅扩张锂、钴和镍供应链，并且不排除寻找额外资源。然而，考虑到电动汽车发展趋势和每辆车的电池容量，其中不确定性很大。2050年之前，在减少初级材料需求方面，闭环回收扮演着辅助但日益重要的角色。为了经济有效地回收电池材料，研究人员必须采取先进的回收策略。

 （图片来源：phys.org）

电动汽车的发展历程 

比起内燃机车辆，电动汽车（EV）造成的环境污染比较少，因此需求量大幅增长。短短十年间，全球EV保有量便从几千辆增至750万（2019年）。从全球平均水平看，预计未来EV市场仍将迅猛发展。 

目前，EV主导技术在于锂离子电池。在此类典型电池中，正极中含有锂、钴和镍，负极中含有石墨，其他组件中含有铝和铜。受益于新型改良化学物质，电池技术正在进一步发展。在本项工作中，研究人员探讨全球对轻型电动汽车电池材料的需求，比如锂、镍、钴，以及石墨和硅，并将其与现有产能和已知储量联系起来，讨论提高电池性能的关键因素。本项工作深入分析未来电池材料需求状况，以及关键推动因素，促进向电动汽车过渡。 

电动汽车增长趋势 

根据国际能源署（IEA）的两类构想，该团队预测了2030年之前EV发展态势，其中包括相对于现有政府政策的宣传政策（STEP），以及符合巴黎协定气候目标的可持续发展前景，即到2030年电动汽车全球销量达到30%。在这项分析中，研究人员将这些构想延长至2050年。为了满足STEP方案，到2050年，每年需要大约6 TWh的电池容量。材料要求将取决于所选择的电池化学材料，目前正在考虑的有三种电池化学材料。 

最有可能的构想是，目前，锂镍钴铝（NCA）和锂镍钴锰（NCM）电池广泛使用（以下称为NCX，其中X代表铝或锰），这一态势或将持续下去。到2030年，电池化学材料可能因此发生变化。 

作为锂离子电池正极材料之一，未来磷酸铁锂（LFP）有望在电动汽车中得到大量应用。虽然LFP低比能会影响EV燃油经济性和续航里程，但是其优势在于生产成本更低，热稳定性更好，生命周期更长。目前，LFP电池在公交车等商用交通工具中应用广泛，在轻型电动汽车（包括特斯拉在内）中，也具有广泛的应用前景。

电池材料的需求和回收潜力 

然后，科学家们评估了全球的EV电池需求，并指出电池的特定化学成分对锂需求量增长的影响不大，而镍和钴特定电池化学成分对其影响更大。该团队进一步预测，2020-2050年，对锂离子电池的需求将出现增长，紧随其后的是镍需求量。同期累计锂需求量为730万-1830万吨，钴为350万-1680万吨，镍为1810万-8890万吨。 

接下来，研究人员展示不同时期报废电池中的材料，并讨论如何对其进行回收，以减少初级材料生产。现有EV电池商业化回收方法，包括火冶和湿冶两种工艺。火冶回收法是指在预处理后熔炼整个电池或电池部件。湿冶回收工艺基于酸浸，并通过溶剂萃取和沉淀法，回收电池材料。在闭路循环中，先进行火冶处理，然后再进行湿冶处理，将合金转化为金属盐。直接回收旨在回收正极材料，同时保持其化学结构，以达到经济和环保的目的，然而，这种方法仍处于早期开发阶段。

电动汽车前景展望

主要研究人员Chengjian Xu、Bernhard Steubing及其同事通过开发模型，展示锂、镍和钴电池产能的大幅增长态势。在2025年之前，对电动汽车的需求甚至可能超过目前生产率。为了满足其他领域的需求，电池材料供应量必须增长，但不会超过现有产能。上述供应态势可能随着新储量的潜在发现而改变。对电池容量的需求，将取决于车辆设计、重量和燃油效率等技术因素，以及车队规模和消费者选择的EV类型和里程。

直接回收法是最经济环保的闭环回收工艺，因为不需要经过熔炼和浸出过程，即可回收正极材料。向电动汽车的成功过渡，取决于持续性材料供应能否跟上行业增长。科学的可持续性评估，包括对化学物质的生命周期评估，有助于指导选择替代性电池化学物质和原材料。这项工作中提出的全球需求预测也提供了平台，以监测电动汽车及其电池对全球经济、环境和社会的影响。