研究人員分析車用鋰基電池的未來材料需求
向電動汽車的成功過渡，取決於持續性材料供應能否跟上行業增長。
蓋世汽車訊 為了減緩氣候變化，全球的電動汽車使用量日益增加。因此，對關鍵電池材料的未來需求進行量化，具有重要意義。據外媒報道，在一份新報告中，荷蘭萊頓大學（Leiden University）和美國阿貢國家實驗室的研究團隊提出，2020-2050年期間，對以鋰、鎳、鈷和錳氧化物為主的電池需求將翻倍增長，因此需要大幅擴張鋰、鈷和鎳供應鏈，並且不排除尋找額外資源。然而，考慮到電動汽車發展趨勢和每輛車的電池容量，其中不確定性很大。2050年之前，在減少初級材料需求方面，閉環回收扮演着輔助但日益重要的角色。為了經濟有效地回收電池材料，研究人員必須採取先進的回收策略。
電動汽車的發展歷程
比起內燃機車輛，電動汽車（EV）造成的環境污染比較少，因此需求量大幅增長。短短十年間，全球EV保有量便從幾千輛增至750萬（2019年）。從全球平均水平看，預計未來EV市場仍將迅猛發展。
目前，EV主導技術在於鋰離子電池。在此類典型電池中，正極中含有鋰、鈷和鎳，負極中含有石墨，其他組件中含有鋁和銅。受益於新型改良化學物質，電池技術正在進一步發展。在本項工作中，研究人員探討全球對輕型電動汽車電池材料的需求，比如鋰、鎳、鈷，以及石墨和硅，並將其與現有產能和已知儲量聯繫起來，討論提高電池性能的關鍵因素。本項工作深入分析未來電池材料需求狀況，以及關鍵推動因素，促進向電動汽車過渡。
電動汽車增長趨勢
根據國際能源署（IEA）的兩類構想，該團隊預測了2030年之前EV發展態勢，其中包括相對於現有政府政策的宣傳政策（STEP），以及符合巴黎協定氣候目標的可持續發展前景，即到2030年電動汽車全球銷量達到30%。在這項分析中，研究人員將這些構想延長至2050年。為了滿足STEP方案，到2050年，每年需要大約6 TWh的電池容量。材料要求將取決於所選擇的電池化學材料，目前正在考慮的有三種電池化學材料。
最有可能的構想是，目前，鋰鎳鈷鋁（NCA）和鋰鎳鈷錳（NCM）電池廣泛使用（以下稱為NCX，其中X代表鋁或錳），這一態勢或將持續下去。到2030年，電池化學材料可能因此發生變化。
作為鋰離子電池正極材料之一，未來磷酸鐵鋰（LFP）有望在電動汽車中得到大量應用。雖然LFP低比能會影響EV燃油經濟性和續航里程，但是其優勢在於生產成本更低，熱穩定性更好，生命週期更長。目前，LFP電池在公交車等商用交通工具中應用廣泛，在輕型電動汽車（包括特斯拉在內）中，也具有廣泛的應用前景。
電池材料的需求和回收潛力
然後，科學家們評估了全球的EV電池需求，並指出電池的特定化學成分對鋰需求量增長的影響不大，而鎳和鈷特定電池化學成分對其影響更大。該團隊進一步預測，2020-2050年，對鋰離子電池的需求將出現增長，緊隨其後的是鎳需求量。同期累計鋰需求量為730萬-1830萬噸，鈷為350萬-1680萬噸，鎳為1810萬-8890萬噸。
接下來，研究人員展示不同時期報廢電池中的材料，並討論如何對其進行回收，以減少初級材料生產。現有EV電池商業化回收方法，包括火冶和濕冶兩種工藝。火冶回收法是指在預處理後熔鍊整個電池或電池部件。濕冶回收工藝基於酸浸，並通過溶劑萃取和沉澱法，回收電池材料。在閉路循環中，先進行火冶處理，然後再進行濕冶處理，將合金轉化為金屬鹽。直接回收旨在回收正極材料，同時保持其化學結構，以達到經濟和環保的目的，然而，這種方法仍處於早期開發階段。
電動汽車前景展望
主要研究人員Chengjian Xu、Bernhard Steubing及其同事通過開發模型，展示鋰、鎳和鈷電池產能的大幅增長態勢。在2025年之前，對電動汽車的需求甚至可能超過目前生產率。為了滿足其他領域的需求，電池材料供應量必須增長，但不會超過現有產能。上述供應態勢可能隨着新儲量的潛在發現而改變。對電池容量的需求，將取決於車輛設計、重量和燃油效率等技術因素，以及車隊規模和消費者選擇的EV類型和里程。
直接回收法是最經濟環保的閉環回收工藝，因為不需要經過熔鍊和浸出過程，即可回收正極材料。向電動汽車的成功過渡，取決於持續性材料供應能否跟上行業增長。科學的可持續性評估，包括對化學物質的生命週期評估，有助於指導選擇替代性電池化學物質和原材料。這項工作中提出的全球需求預測也提供了平台，以監測電動汽車及其電池對全球經濟、環境和社會的影響。