隨著世界轉(zhuǎn)向電動汽車以減少氣候變化，量化未來對關(guān)鍵電池材料的需求至關(guān)重要。在一份新的報告中，ChengjianXu、BernhardSteubing以及荷蘭萊頓大學(xué)和美國阿貢國家實驗室的一個研究小組展示了鋰、鎳、鈷和錳氧化物為主的電池在2020年到2050年間的需求將以多個因素增加。因此，鋰、鈷和鎳的供應(yīng)鏈需求大幅擴張，并可能需要探查更多的資源。然而，相對于電動車隊的發(fā)展和每輛車的電池容量，不確定性是很大的。在2050年之前，閉環(huán)回收在減少原材料需求方面起著次要但越來越重要的作用，研究人員必須研究先進的回收策略，從報廢電池中經(jīng)濟地回收電池級材料。這項工作現(xiàn)在發(fā)表在《自然通訊材料》上。

電動汽車的發(fā)展

與裝有內(nèi)燃機的車輛相比，電動汽車（EV）對氣候的影響更小。這一優(yōu)勢導(dǎo)致需求大幅增長，全球船隊從10年前的幾千艘增長到2019年的750萬艘。然而，全球平均汽車市場仍然有限，而未來的增長預(yù)計將使過去絕對數(shù)量的增長相形見絀。鋰離子電池（LIBs）是目前電動汽車的主流技術(shù)，典型的汽車鋰離子電池正極含有鋰、鈷和鎳，陽極含有石墨，其他成分中含有鋁和銅。電池技術(shù)目前正朝著新的和改進的化學(xué)方向發(fā)展。在這項工作中，Xu等人研究了全球輕型電動汽車電池的材料需求，從鋰、鎳、鈷到石墨和硅，并將材料需求與持續(xù)生產(chǎn)能力和已知儲量聯(lián)系起來，以討論改進電池的關(guān)鍵因素。這項工作將通過提供對未來電池材料需求的洞察，以及推動電池材料需求的關(guān)鍵因素，協(xié)助向電動汽車過渡。

全球電動汽車庫存發(fā)展預(yù)測到2050年。純電動汽車、插電式混合動力電動汽車、STEP方案、國家政策情景、可持續(xù)發(fā)展情景。

電動汽車（EV）車隊增長

該團隊根據(jù)國際能源署（IEA）的兩種情況預(yù)測了電動汽車車隊的增長，直至2030年。其中包括與現(xiàn)有政府政策相關(guān)的既定政策（STEP）以及與《巴黎協(xié)定》氣候目標(biāo)相一致的可持續(xù)發(fā)展（SD）情景，即到2030年電動汽車全球銷量達到30%。在這項分析中，Xu等人將這些情景延長到2050年。為滿足STEP方案，到2050年，每年需要約6TWh的電池容量。材料要求將取決于電池化學(xué)試劑的選擇，目前正在考慮的三種電池化學(xué)試劑。

最有可能出現(xiàn)的情況將遵循當(dāng)前鋰鎳鈷鋁（NCA）和鋰鎳鈷錳（NCM）電池（以下簡稱NCX，其中X代表鋁或錳）的當(dāng)前趨勢。到2030年，這將導(dǎo)致電池化學(xué)的發(fā)展。作為鋰離子電池正極材料的磷酸鐵鋰（LFP）有望在未來電動汽車中得到越來越多的應(yīng)用。雖然比能量較低會影響電動汽車的燃油經(jīng)濟性和續(xù)航里程，但LFPs具有生產(chǎn)成本低、熱穩(wěn)定性好、壽命長等優(yōu)點。盡管LFP電池目前在公共汽車等商用交通工具中使用很普遍，但在包括特斯拉斯在內(nèi)的輕型電動汽車中也有廣泛應(yīng)用的前景。

在STEP方案中，電池市場份額和2050年前電動汽車電池年銷量。（a）NCX場景。（b）LFP場景。（c）Li-S/空中場景。LFP磷酸鐵鋰電池、NCM鋰鎳鈷錳電池、NCM111、NCM523、NCM622、NCM811、NCM955中的數(shù)字表示鎳、鈷、錳的比值。NCA鋰鎳鈷鋁電池，石墨（Si）石墨陽極含部分硅，鋰硫鋰電池，鋰空氣電池，TWh109kWh。

電池材料需求和回收潛力

隨后，科學(xué)家們評估了全球?qū)﹄妱悠嚕‥V）電池的需求，并指出，對鋰的需求增長只受電池特定化學(xué)成分的輕微影響，而鎳和鈷的特定電池化學(xué)成分對其需求的影響更大。從2020年到2050年，鋰離子電池的需求量進一步增加。通過這種方式，他們預(yù)測2020年至2050年鋰的累計需求量在730萬噸至1830萬噸之間，鈷的累計需求量為350萬噸至1680萬噸，鎳的累計需求量為181萬噸至889萬噸。

Xu等人接下來展示了廢舊電池中隨時間變化的材料，并討論了回收這些材料如何有助于減少初級材料的生產(chǎn)。現(xiàn)有的電動汽車電池商業(yè)回收方法有干法和濕法兩種。火法回收包括對整個電池或經(jīng)過預(yù)處理的電池組件進行熔煉。濕法冶金是以酸浸和隨后通過溶劑萃取和沉淀法回收電池材料為基礎(chǔ)的。在閉環(huán)循環(huán)利用中，火法冶金處理后可進行濕法冶金處理，將合金轉(zhuǎn)化為金屬鹽。直接回收法的目的是回收陰極材料，同時保持其化學(xué)結(jié)構(gòu)以獲得經(jīng)濟和環(huán)境優(yōu)勢，但這種方法仍處于早期發(fā)展階段。

在NCX、LFP和Li-S/空氣電池方案中，鋰、鎳和鈷的電池材料流動從2020年到2050年。（a）原材料需求。（b）廢舊電池材料。STEP情景——既定政策情景、可持續(xù)發(fā)展情景、百萬噸級可持續(xù)發(fā)展情景。

電動汽車展望

通過這種方式，徐成建、伯恩哈德·斯特賓及其同事開發(fā)了模型，以展示鋰、鎳和鈷的電池產(chǎn)能將如何大幅增長，因為即使在2025年之前，電動汽車的需求增長率也可能超過目前的生產(chǎn)速度。電池材料可以在不超過現(xiàn)有生產(chǎn)能力的情況下供應(yīng)，但必須增加供應(yīng)以滿足其他部門的需求。概述的供應(yīng)風(fēng)險可能隨著新儲量的發(fā)現(xiàn)而改變。對電池容量的需求將取決于技術(shù)因素，如車輛設(shè)計、重量和燃油效率，以及車隊規(guī)模和消費者對電動汽車尺寸和范圍的選擇。

直接回收法是最經(jīng)濟、最環(huán)保的閉路循環(huán)法，因為它可以在不經(jīng)過冶煉和浸出的情況下回收陰極材料。向電動汽車的成功過渡將取決于能否跟上該行業(yè)增長的持續(xù)的材料供應(yīng)。科學(xué)的可持續(xù)性評估，包括化學(xué)物質(zhì)的生命周期評估，將指導(dǎo)替代電池化學(xué)品和原材料的選擇。這項工作預(yù)計的全球需求也為監(jiān)測電動汽車及其電池的全球經(jīng)濟環(huán)境和社會影響提供了一個平臺。