這一切最簡(jiǎn)單的解決辦法就是開發(fā)廉價(jià)的常用金屬如鐵和銅的替代類型的電極。盡管三元材料尤其是高鎳正極材料應(yīng)用規(guī)模還遠(yuǎn)沒有達(dá)到頂峰，現(xiàn)在考慮三元材料材料的未來，早嗎?動(dòng)力電池是我國(guó)新能源汽車的發(fā)展的根基。古人有云：先謀后動(dòng)，動(dòng)則必成。

　　這一切最簡(jiǎn)單的解決辦法就是開發(fā)廉價(jià)的常用金屬如鐵和銅的替代類型的電極。

　　盡管三元材料尤其是高鎳正極材料應(yīng)用規(guī)模還遠(yuǎn)沒有達(dá)到頂峰，現(xiàn)在考慮三元材料材料的未來，早嗎?動(dòng)力電池是我國(guó)新能源汽車的發(fā)展的根基。古人有云：先謀后動(dòng)，動(dòng)則必成。

　　看一下本文的核心論點(diǎn)：

　　1.用于動(dòng)力鋰電池的鈷和鎳資源將在2030年前后將會(huì)出現(xiàn)供不應(yīng)求的局面，三元材料發(fā)展必然是不可持續(xù)的;

　　2.未來新型正極材料必須是優(yōu)于當(dāng)前嵌入型正極材料的一種高潛力材料;

　　3.硅基材料與新型正極材料適配不僅要提高其能量密度，還要大幅度降低鋰離子電池的成本。

　　電動(dòng)汽車需要?jiǎng)恿碓?動(dòng)力蓄電池的比能量、壽命、安全性和價(jià)格，對(duì)純電動(dòng)汽車的發(fā)展至關(guān)重要，而鋰離子電池具有比能量高、自放電低、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，是目前最具實(shí)用價(jià)值的電動(dòng)汽車電池。經(jīng)過20多年來的科技進(jìn)步，LIBs的性能得到巨大提升。鋰電池包中比能量密度增加了近3倍，從不到200Wh/L增長(zhǎng)到超過700Wh/L。生產(chǎn)成本是原來的3%左右，目前可控制生產(chǎn)成本低于150$/kWh。但這仍然高于美國(guó)能源部計(jì)劃的100$/kWh的目標(biāo)。當(dāng)前功率在50-100KW.h的動(dòng)力電池重量約為600公斤，體積也要在500L左右。

　　因?yàn)楝F(xiàn)在的鋰電池的能量密度已經(jīng)接近理論最大值，LIBs的能量密度提升正逐漸變緩。電池市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)，使LIBs降價(jià)更顯得遙不可及。相反的是，在過去的兩年里，鋰電池產(chǎn)量的激增幾乎使鈷的價(jià)格幾乎翻了兩番，從每千克22美元生到81美元。市場(chǎng)需求的增大和價(jià)格的快速上漲已經(jīng)鼓勵(lì)一些生產(chǎn)商偷工減料，違反環(huán)境和安全法規(guī)。例如，在中國(guó)，石墨礦釋放的粉塵已經(jīng)損壞了農(nóng)作物、污染了村莊和飲用水。而在非洲，一些礦主剝削童工，在缺少防毒面具等防護(hù)設(shè)備，手工開采礦石的小型礦山，通常這么做觸犯法律。包括寶馬在內(nèi)的一些公司都制定嚴(yán)格的政策來督促其鈷供應(yīng)商，而其它一些電動(dòng)車生產(chǎn)廠家并不這樣做。

　　這一切最簡(jiǎn)單的解決辦法就是開發(fā)廉價(jià)的常用金屬如鐵和銅的替代類型的電極。在美國(guó)亞特蘭大佐治亞理工學(xué)院GlebYushin教授及其同事看來，最有希望的“替代電極材料”(Conversion-typecathodematerials)，如銅或鐵的氟化物或者硅。它們通過化學(xué)方式儲(chǔ)存鋰，但這項(xiàng)技術(shù)仍處于早期階段。要實(shí)際應(yīng)用必須克服穩(wěn)定性、充電速度和制造方面的問題。GlebYushin教授呼吁材料科學(xué)家、工程師和資助機(jī)構(gòu)優(yōu)先研究和開發(fā)基于豐富元素的電極。否則，電動(dòng)汽車的推廣將在十年內(nèi)遭受重創(chuàng)。

　　當(dāng)前電動(dòng)汽車的商用電池中，鋰離子被束縛在組成電極的晶體中的微小空隙中(這些被稱為插層電極)。負(fù)極通常由石墨制成，正極則由金屬氧化物構(gòu)成。

　　常見的三元正極材料包括鎳鈷鋁氧化物(NCA，例如LiNi0.8Co0.15Al0.05O2)或鎳鈷錳氧化物(NCM，例如LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2或LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2)。100kg的鋰離子動(dòng)力電池正極材料通常需要6~12kg的鈷和36~48kg的鎳。而鈷通常是銅和鎳開采的副產(chǎn)品，也需要復(fù)雜的工藝與其它金屬分離，大多數(shù)礦床僅含有0.003%的鈷金屬，很少有鈷礦藏集中到值得開采的程度。于是盡管地球上存儲(chǔ)的1015噸鈷中，只有107噸可以利用。同樣，全球1015噸鎳儲(chǔ)量中也只有108噸具有商業(yè)開采價(jià)值。

　　現(xiàn)在只有少數(shù)地方發(fā)現(xiàn)了富鈷礦物。非洲剛果(DRC)提供了2015年全球14.8萬噸鈷中的一半(56%)。其中大部分流向中國(guó)，中國(guó)擁有20萬至40萬噸的鈷的庫(kù)存。澳大利亞擁有全球14%的鈷儲(chǔ)量，已經(jīng)可以從深海海底開采出來，但在這樣的開采成本、生態(tài)和經(jīng)濟(jì)都太高，尚不能充分開發(fā)利用。

　　同樣，鎳的生產(chǎn)也由十幾個(gè)國(guó)家主導(dǎo)。2017年，印度尼西亞、菲律賓、加拿大、新喀里多尼亞、俄羅斯和澳大利亞共同供應(yīng)了全球210萬噸礦石中的72%。但其中不到十分之一用于鋰電池;其余的主要用于鋼鐵和電子產(chǎn)品。盡管鎳的提取成本低于鈷，但2015年以來，需求的增長(zhǎng)已將鎳價(jià)格從每公斤9美元提高到14美元，漲幅約為50%。鈷和鎳都經(jīng)歷了突然的價(jià)格上漲和崩潰。例如，澳大利亞供應(yīng)中斷，中國(guó)對(duì)鋼鐵的需求增加，對(duì)沖基金經(jīng)理的投機(jī)行為導(dǎo)致鎳價(jià)格上漲5倍，而在2008-2009年鈷價(jià)格上漲3倍。

　　如果照此發(fā)展下去，鈷和鎳將在20年內(nèi)出現(xiàn)供應(yīng)缺口。隨著LIBs的需求量持續(xù)增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2030年鈷會(huì)供不應(yīng)求，鎳可能會(huì)在2037年以前斷貨。盡管我們可以開采質(zhì)量較差的礦石，但更高的加工成本會(huì)推高鈷鎳價(jià)格。

　　電動(dòng)廠家和政府預(yù)計(jì)到2025年，每年將會(huì)生產(chǎn)1000萬-2000萬輛電動(dòng)汽車。如果每輛汽車的電池需要10kg的鈷，到2025年，僅電動(dòng)汽車每年需要10-20萬噸的鈷，這是目前世界上大部分產(chǎn)量。同樣地，每年需要40-80萬噸鎳，相當(dāng)于今天所有金屬的20-40%。當(dāng)卡車、公共汽車、飛機(jī)和船舶使用動(dòng)力電池時(shí)，還需要更多的電池。到2050年，每年生產(chǎn)5000萬到8000萬輛電動(dòng)汽車需要50-80萬噸鈷。2030年以后，這將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前的采礦能力。同樣，到2050年，鎳的需求量將增加2-3倍。到2030年中期，鎳的短缺將是顯而易見的，循環(huán)利用也無法補(bǔ)充供應(yīng)。因?yàn)殇囯x子電池的壽命為15-20年，是鉛酸電池的5-7年的3倍。一旦供應(yīng)量達(dá)到峰值，我們估計(jì)電動(dòng)汽車電池的價(jià)格可能會(huì)上漲1000美元以上。

　　答案是用常規(guī)金屬(鐵、銅)來生產(chǎn)鋰離子電池正極材料。例如鐵不僅價(jià)格低廉(低至6美分/kg)而且儲(chǔ)量豐富(760億噸)。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的富鐵材料(LiFePO4)和富錳材料(LiMnO2或LiMn2O4)在使用中都有各種各樣的缺陷，因此最有希望的替代方案是在電極中使用“替換正極材料”。銅/鐵氟化物和硅可與鋰離子化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)鋰的存儲(chǔ)，可以容納比標(biāo)準(zhǔn)正極多六倍的能量。

　　轉(zhuǎn)換型正極材料的機(jī)理：它的電化學(xué)轉(zhuǎn)換反應(yīng)是一種不同于傳統(tǒng)的鋰離子嵌入/脫出反應(yīng)的新型儲(chǔ)鋰機(jī)制。反應(yīng)過程中有多個(gè)電子轉(zhuǎn)移，因此基于電化學(xué)轉(zhuǎn)換反應(yīng)機(jī)理的電極材料都具備非常高的理論比容量。這類電極材料主要由過渡金屬的氧化物、硫化物或者氟化物等幾種類型,其中過渡金屬氟化物由于其較強(qiáng)的離子鍵而具備較高的工作電位,比較適合做鋰離子電池的正極材料。其中硅基材料非常適合與之搭配。

　　一旦這兩種材料的成功運(yùn)用，為電動(dòng)汽車提供動(dòng)力的電池可以減少一半，同時(shí)成本，重量和體積將減少一半甚至更多。但要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，電池研究者們需要研發(fā)高性能氟化物材料和更有效的電解質(zhì)。工程師需要努力開發(fā)使用這些材料的設(shè)備和工藝。除此之外，轉(zhuǎn)換型材料制備的電池還有一些缺點(diǎn)，例如電導(dǎo)率低，倍率性能不佳;轉(zhuǎn)換材料與電解液的副反應(yīng)嚴(yán)重;正、負(fù)極SEI膜形成較厚，有電壓滯后現(xiàn)象;電極充電后膨脹收縮比較嚴(yán)重。

　　替換型材料簡(jiǎn)介

　　與嵌入型材料電極相比，充放電過程中轉(zhuǎn)換型材料和Li結(jié)合前后會(huì)發(fā)生斷鍵和成鍵。Li進(jìn)而進(jìn)入FeF2后，F(xiàn)e-F鍵斷裂后，Li與F重現(xiàn)鍵合生成LiF(TypeA)。[2]

　　“新材料智庫(kù)”是中國(guó)鋼研戰(zhàn)略所微信公眾平臺(tái)。中國(guó)鋼研戰(zhàn)略所是國(guó)家新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展專家咨詢委員會(huì)秘書處常設(shè)辦公機(jī)構(gòu)之一，也是國(guó)家工信部、科技部、國(guó)資委支撐研究機(jī)構(gòu)之一。依托深厚的科研實(shí)力和領(lǐng)先的人才優(yōu)勢(shì)，在院士、專家的帶領(lǐng)下，成為工信智庫(kù)聯(lián)盟、中央企業(yè)智庫(kù)聯(lián)盟成員單位和工信部軍民融合科技服務(wù)機(jī)構(gòu)，為政府部門、科研機(jī)構(gòu)和國(guó)內(nèi)外企業(yè)提供戰(zhàn)略咨詢、科技信息檢索、行業(yè)分析、市場(chǎng)調(diào)研及產(chǎn)業(yè)規(guī)劃服務(wù);參與國(guó)家工信部、科技部有關(guān)新材料規(guī)劃及文件編制工作;承擔(dān)中國(guó)工程院重大、重點(diǎn)戰(zhàn)略咨詢項(xiàng)目;為地方政府制定產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃;為眾多企業(yè)編制產(chǎn)品發(fā)展規(guī)劃、提供市場(chǎng)調(diào)研服務(wù)。

　　陶瓷內(nèi)襯氣流粉碎機(jī)具有以下性能優(yōu)勢(shì)：適合于莫氏硬度9以下的各種物料的干法粉碎，尤其適合于高硬度、高純度和高附加值物料的粉碎。顆粒加速技術(shù)的突破，極大的提高了粉碎效率，降低了能耗，過粉碎小，粒形好，粒度分布窄且無大顆粒，產(chǎn)品粒度D97=3-74微米之間任意調(diào)節(jié)。粉碎過程中，由于氣流急劇膨脹而使氣流溫度降低，尤其適合于熱敏性、低熔點(diǎn)及揮發(fā)性物料的粉碎。物料相互碰撞進(jìn)行粉碎，有別于機(jī)械粉碎依靠刀片或錘頭等對(duì)物料的沖擊粉碎，再加上的陶瓷內(nèi)襯，因而設(shè)備磨損小，產(chǎn)品純度高?？膳c多級(jí)氣流分級(jí)機(jī)串聯(lián)使用，一次生產(chǎn)多個(gè)粒度段的產(chǎn)品。陶瓷內(nèi)襯氣流粉碎機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，拆裝清洗方便，內(nèi)壁光滑無死角。 整套系統(tǒng)全負(fù)壓密閉運(yùn)行，無粉塵，噪音低，生產(chǎn)過程清潔環(huán)保。

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