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位于加州帕洛阿尔托的特斯拉工厂的技术人员正在测试丰田Rav4的电池组。像这样的电动汽车电池,以及可再生能源发电机,需要的关键材料是有限的。图片:Chris Connors (CC BY-NC 2.0)

能量

2021年10月20日

工程是缓解清洁能源关键材料供应紧张的关键

贡献:多尔夫·吉伦

关键材料的供应已成为向清洁能源过渡的一个主题。与消耗化石燃料的同类产品相比,电动汽车、太阳能光伏板和风力发电机的制造需要更多的矿物。

所需的关键矿物包括铜、锂、镍、稀土、硅和其他。这一问题提出了有关能源转型的可行性和速度、经济和地缘政治后果的问题。但是,有解决这一问题的战略:

  • 增加采矿和多样化供应
  • 创新,避免或尽量减少关键材料的使用
  • 最大限度地实现再利用和再循环的循环经济概念

创新在短期内发挥着关键作用,因为它的影响是最强的,产量也会增加。它应该成为努力减少关键材料依赖的起点。电动汽车电池和永磁体是最受关注的两个应用,显然,创新在这两个领域都发挥着关键作用。

设计可以平衡电池材料短缺

虽然汽车电池被称为锂离子电池,但按重量计算,它们只含有3%的锂。阴极通常由镍、锰和钴组成,可占电池组总重量的15%。中型汽车阴极重量可达60-70公斤。电动汽车的产量预计将从明年开始增加2021年620万台到2030年达到4000万台。这意味着需要240-280万吨阴极金属。这种趋势适用于镍含量高而钴含量低的阴极(NiMnCo 811,镍含量为80%)。与早期的阴极成分相比,这种趋势降低了钴的依赖性。2019年世界镍产量为250万吨,因此这一增长将使需求翻一番。镍价在2017年至2021年间已经翻了一番,达到了20美元/千克的水平。按目前价格计算,单是阴极材料就可以达到每辆车1500-2000美元,占车辆总成本的很大一部分。

创新应该是努力减少关键材料依赖的起点。

因此,有明显的动机去寻找其他解决方案。中国企业以低成本的丰富材料为基础,开发出了以磷酸铁锂(LFP)为正极的锂硼电池。它将成本从140-160美元/千瓦时降低到85美元/千瓦时。同时,由于材料组成,电池更安全(桑德森,2021年)。唯一的缺点是电池材料单位能量的重量增加一倍,因此范围减小。不过,对于城市车辆来说,这可能是可以接受的。改进LFP电池的化学性能仍有可能。一个例子是通过在石墨阳极中加入硅(Jaroni et al., 2019)。中国比亚迪公司开发了所谓的叶片式LFP电池。虽然大多数汽车电池包含一起放置在模块中的单元,然后在该替代设计中,长薄的电池单元直接放入电池组中。通过这种设计,与传统的LFP电池相比,该公司可以将50%的电池包装到电池组中。该方法可以节省空间并弥补某些固有的细胞体重和由于壳体需求减少而缺点。

永磁体:可持续设计的持续探索

目前第二个值得注意的领域是永磁体。这些磁铁用于发电机(尤其是高性能风力涡轮机)和节省空间和重量的电动机(电动汽车)。展望未来,电动汽车的增长将是永磁体的关键细分市场。稀土,尤其是钕和镝,广泛用于发电机的永磁体(例如风力涡轮机)和电动机(用于车辆)。到2030年,稀土永磁应用预计将占稀土总需求的29%增至40%。事实上,情况更为严峻,因为共生产的17种稀土元素中只有少数适合用作磁铁。

钕-铁-硼(NdFeB)磁体设计紧凑,对轻量化应用和降低制造成本非常重要。它们还能提高能源效率。稀土元素在磁体中的总含量约为重量的30%,其材料成本约占磁体总成本的70%甚至更多。在商业烧结NDFEB磁体,钕通常被包含镨,镝和铽的其他稀土元素的部分取代。因为矿物和镨通常共存,并且这两个元素具有相似的物理和化学性质,因此生产镨钕合金而不是来自矿石的纯钕金属并使用该合金作为原料更经济。磁铁。

供应紧缩的前景令人生畏,因为这将导致汽车生产停滞。

钕通常是稀土矿物的商业沉积物稀土含量的10-18%。钕的全球储备估计在大约800万公吨,使其成为铈后的第二个最丰富的稀土元素。因此,资源充足,但供应的短期和中期增长可能会造成挑战。另一个可能的挑战是,矿业和磁铁产量至少在中国强烈集中,至少现在。对于在升高的温度(汽车)处进行钕磁体,加入大量的镝(高达12重量%)。然而,就土地壳中的相对丰度而言,镝构成所有稀土元素的1%。因此,镝供应不能快速扩展,以满足对EVS的高温钕磁体的不断增长的需求。因此,需要找到替代添加剂。

每辆车的永磁体重量在1.5到5公斤之间,钕的价格为120美元/公斤,成本暴露似乎是可控的。然而,供应紧缩的前景令人生畏,因为这将导致汽车生产停滞。雷诺和特斯拉已经分别采用绕线转子和感应电机技术,消除了稀土磁体。这些技术和其他技术,特别是开关磁阻电机和用低成本铁氧体替换稀土磁体的技术,可能会成为未来高性能牵引电机的基础。试图减少其使用的公司包括日本第三大汽车制造商日产(Nissan),该公司正在从其新Ariya车型的发动机上报废稀土磁铁。今年,德国宝马(BMW)在其iX3电动SUV上也采取了同样的做法,而全球两大汽车制造商丰田(Toyota)和大众(Volkswagen)也在削减矿产资源。占2020年轻型汽车总销量46%的制造商表示,他们已经报废、计划淘汰或正在缩减电动汽车中的稀土磁体。

还在继续寻找减少或消除稀土金属使用的新的永磁体配方。

这两个主要应用的简要概述显示了未来几年能源转型成功的关键材料供应的重要性。工程科学在找到一种允许加速能量转变的可行途径方面发挥着关键作用。能源转型将成为一个增长市场的流逝,可以建立领先地位的国家将具有良好的经济前景。应其成员国的要求,Irena将继续关注关键材料作为能源转型的推动者。

请点击此处查看即将发布的关于能源转型中关键材料的工作文件的链接。


关于作者

自2011年以来,Dolf Gielen曾担任国际可再生​​能源机构(IRENA)的创新和技术董事。他在国际环境中拥有超过25年的能源转型战略制定和实施经验,以及技术政策。他在荷兰代尔夫特德尔维特科技大学拥有博士学位。

标签:负担得起的清洁能源电池可再生能源太阳能电池板可持续电力风能

多尔夫·吉伦

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