锂离子电池材料的现状和未来发展趋势如何
来源：宝鄂实业
2019-11-04 07:50
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现在的锂电池的能量密度已经接近理论最大值，LIBs的能量密度提升正逐渐变缓。电池市场的快速增长，使LIBs降价更显得遥不可及。相反的是，在过去的两年里，锂电池产量的激增几乎使钴的价格几乎翻了两番，从每千克22美元生到81美元。市场需求的增大和价格的快速上涨已经鼓励一些生产商偷工减料，违反环境和安全法规。例如，在中国，石墨矿释放的粉尘已经损坏了农作物、污染了村庄和饮用水。而在非洲，一些矿主剥削童工，在缺少防毒面具等防护设备，手工开采矿石的小型矿山，通常这么做触犯法律。包括宝马在内的一些公司都制定严格的政策来督促其钴供应商，而其它一些电动车生产厂家并不这样做。
这一切最简单的解决办法就是开发廉价的常用金属如铁和铜的替代类型的电极。在美国亚特兰大佐治亚理工学院Gleb Yushin教授及其同事看来，最有希望的“替代电极材料”（Conversion-type cathode materials），如铜或铁的氟化物或者硅。它们通过化学方式储存锂，但这项技术仍处于早期阶段。要实际应用必须克服稳定性、充电速度和制造方面的问题。Gleb Yushin教授呼吁材料科学家、工程师和资助机构优先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遭受重创。
镍和钴稀缺且昂贵
当前电动汽车的商用电池中，锂离子被束缚在组成电极的晶体中的微小空隙中（这些被称为插层电极）。负极通常由石墨制成，正极则由金属氧化物构成。
常见的三元正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）。100kg的锂离子动力电池正极材料通常需要6~12kg的钴和36~48kg的镍。而钴通常是铜和镍开采的副产品，也需要复杂的工艺与其它金属分离，大多数矿床仅含有0.003%的钴金属，很少有钴矿藏集中到值得开采的程度。于是尽管地球上存储的1015吨钴中，只有107吨可以利用。同样，全球1015吨镍储量中也只有108吨具有商业开采价值。
现在只有少数地方发现了富钴矿物。非洲刚果（DRC）提供了2015年全球14.8万吨钴中的一半（56%）。其中大部分流向中国，中国拥有20万至40万吨的钴的库存。澳大利亚拥有全球14%的钴储量，已经可以从深海海底开采出来，但在这样的开采成本、生态和经济都太高，尚不能充分开发利用。
同样，镍的生产也由十几个国家主导。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供应了全球210万吨矿石中的72%。但其中不到十分之一用于锂电池；其余的主要用于钢铁和电子产品。尽管镍的提取成本低于钴，但2015年以来，需求的增长已将镍价格从每公斤9美元提高到14美元，涨幅约为50%。钴和镍都经历了突然的价格上涨和崩溃。例如，澳大利亚供应中断，中国对钢铁的需求增加，对冲基金经理的投机行为导致镍价格上涨5倍，而在2008-2009年钴价格上涨3倍。
