锂电池定制16年-动力锂电池系统解决方案商

 

简介

尽管三元电池材料，特别是高镍正极材料的应用规模远未达到顶峰，但现在考虑三元材料在三元锂电池中的应用前景是否为时过早？动力电池是中国新能源汽车发展的基础。本文将详细介绍电池材料的发展趋势。

 

电池材料的核心论点

用于动力锂电池的钴和镍资源将在2030年前后出现短缺，电池材料中的三元材料的发展必然是不可持续的。未来电池材料中的新型正极材料必须是优于目前嵌入式正极材料的高潜力电池材料。硅基材料与新的正极材料的适应性，不仅要提高其能量密度，而且要大大降低锂离子电池的成本。

电动汽车需要动力源。动力电池的比能量、寿命、安全性和价格对纯电动汽车的发展至关重要，而锂离子电池具有高比能量、低自放电和长寿命的优点，是最实用的电动汽车电池。经过20多年的技术进步，锂离子电池的性能得到了极大的提高。

锂电池组的比能量密度提高了近三倍，从不足200Wh/L提高到700Wh/L以上，生产成本约为原来的3%，目前可控的生产成本不到150元/千瓦时。但这仍然高于能源部计划的100美元/千瓦时的目标。目前50-100KW.h的动力电池重约600公斤，体积也约为500L。

 

 

因为现在锂电池的能量密度已经接近理论上的最大值，LIB的能量密度正在逐渐放缓。电池市场的快速增长使得LIBs的价格削减更加遥不可及。相反，在过去两年中，锂离子电池产量的激增使用作电池材料的钴的价格几乎翻了两番，从每公斤22美元到81美元不等。市场需求的增长和价格的快速上涨，鼓励了一些生产商偷工减料，违反环境和安全法规。

例如，在中国，石墨矿释放的粉尘破坏了农作物，污染了村庄和饮用水。在非洲，一些矿工剥削儿童，在缺乏防毒面具和其他保护设备的小矿井中经常违法。包括宝马在内的一些公司已经制定了严格的政策来推动其钴供应商，而其他电动汽车制造商则没有这样做。电池材料的最简单的解决方案是为常用金属如铁和铜开发廉价的转换型电极。

电池材料中最有前途的转换型阴极材料，如铜或铁的氟化物或硅。它们以化学方式储存锂，但该技术仍处于早期阶段。为了实际应用，必须克服稳定性、充电速度和制造问题。专家们呼吁材料科学家、工程师和资助机构优先考虑研究和开发基于丰富元素的电极。否则，电动汽车的推广将在十年内受到严重打击。

 

 

镍和钴是稀缺和昂贵的

在目前用于电动汽车的商业电池中，作为电池材料的锂离子被绑定在构成电极的晶体中的微小空隙中（这些被称为插层电极）。阳极通常由石墨制成，而阴极电极则由金属氧化物制成。

用作电池材料的常见三元阴极材料包括镍钴铝氧化物（NCA，例如LiNi0.8Co0.15Al0.05O2）或镍钴锰氧化物（NCM，例如LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2或LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2）。用作正极电极的100公斤锂离子动力电池材料通常需要6至12千克的钴和36至48千克的镍。

在电池材料中，钴，通常是铜和镍开采的副产品，也需要复杂的工艺来与其他金属分离。大多数矿床只含有0.003%的钴金属，很少有钴矿床的浓度高到值得开采。因此，尽管在地球上储存的1015吨钴中，只有107吨能被使用。同样，在全球1015吨的镍储量中，只有108吨可用于电池材料的商业用途。

 

 

作为电池材料，富钴矿物现在只在少数地方发现。非洲的刚果（DRC）在2015年提供了全球总量的一半（56%）的14.8万吨钴。其中大部分流向中国，中国有20万至40万吨的钴库存。澳大利亚的钴储量占全球的14%，已经可以从深海海底开采，但这种成本、生态和经济成本太高，无法充分开发。

同样，镍的生产也是由十几个国家主导。2017年，印度尼西亚、菲律宾、加拿大、新喀里多尼亚、俄罗斯和澳大利亚共同提供了全世界210万吨矿石中的72%。但其中只有不到十分之一被用作锂电池的电池材料，其余的主要用于钢铁和电子产品。

虽然镍的开采成本比钴低，但自2015年以来，需求的增长使镍的价格从每公斤9美元提高到14美元，提高了约50%。在电池材料方面，钴和镍都经历了突然的价格上涨和崩溃。例如，澳大利亚的供应中断，中国对钢铁的需求增加，以及对冲基金经理的投机行为，使镍的价格上涨了两倍，而钴在2008-2009年上涨了两倍。

 

钴和镍预计将出现短缺

如果这种情况继续下去，钴和镍将在20年内出现供应缺口。随着对LIB的需求持续增长，预计到2030年钴将下降，到2037年镍可能缺货。尽管我们可以开采质量差的矿石，但更高的加工成本将推高钴镍价格。

 

 

电动汽车制造商和政府预计到2025年，每年将生产1000万至2000万辆电动汽车。如果每个汽车电池需要10公斤的钴作为电池材料，那么到2025年，仅电动汽车每年就需要10万至20万吨的钴，占当今世界产量的大部分。同样，每年需要40-80万吨的镍，相当于今天所有金属的20-40%。当动力电池被卡车、公共汽车、飞机、船舶和摩托车电池使用时，需要更多的电池。

到2050年，每年需要50-80万吨钴来生产5000-8000万辆电动汽车。2030年后，这将远远超过目前的采矿能力。同样，到2050年，对镍的需求将增加2-3倍。到2030年中期，镍的短缺将是明显的，回收将无法补充供应。因为锂离子电池的寿命是15-20年，是铅酸电池5-7年的3倍。一旦供应达到顶峰，估计电动汽车电池的价格可能会上涨1000美元以上。

 

未来电池材料的出路是什么？

答案是使用常规金属（铁、铜）来生产锂离子电池材料的正极电极。例如，铁是廉价的（低至6美分/公斤）和丰富的（760亿吨）。由于传统的富铁材料（LiFePO4）和富锰材料（LiMnO2或LiMn2O4），作为电池材料使用，都有各种缺陷，最有希望的替代方法是在电极上使用 “替代正极材料”。如果你想了解更多关于正极材料的信息，请阅读我们网站上的2022年中国五大磷酸铁锂正极材料公司。铜/氟化铁和硅可以与锂离子发生化学反应，实现储锂，并且可以容纳比标准阴极电极多六倍的能量。

转换正极材料的机制： 其电化学转化反应是一种不同于传统的锂离子插层/提取反应的新型储锂机制。在反应过程中存在多种电子转移，因此基于电化学转换反应机制的电池材料中的电极材料具有非常高的理论比容量。

 

 

这类电极材料主要由过渡金属氧化物、硫化物或氟化物组成，其中过渡金属氟化物因其强离子键而具有较高的工作电位。这类电池材料更适合作为锂离子电池的正极材料。其中，硅基材料非常适用于匹配。

一旦这两种电池材料被成功使用，为电动汽车提供动力的电池就可以减少一半，而成本、重量和体积也可以减少一半或更多。但是为了实现这一目标，电池研究人员需要开发高性能的氟化物材料和更有效的电解质。工程师需要努力开发使用这些材料的设备和工艺。

此外，用转换材料作为电池材料制成的电池也有一些缺点，如电导率低，速率性能差；转换材料和电解质之间有严重的副反应；阴阳极SEI膜较厚，有电压滞后现象。充电后电极的膨胀和收缩比较严重。