這一切最簡(jian)單的(de)解決(jue)辦法就是(shi)開(kai)發廉價的(de)常用金屬如鐵和(he)銅的(de)替代類型的(de)電極。盡管三(san)元材料(liao)尤其是(shi)高(gao)鎳正(zheng)極材料(liao)應用規模還遠(yuan)沒有達到頂峰，現在(zai)考慮(lv)三(san)元材料(liao)材料(liao)的(de)未(wei)來，早(zao)嗎?動(dong)力電池是(shi)我(wo)國新能源汽車(che)的(de)發展的(de)根基。古(gu)人(ren)有云：先謀后動(dong)，動(dong)則必成。

　　這(zhe)一切(qie)最簡單的(de)解決辦法就是開發廉價的(de)常(chang)用金屬如鐵和銅的(de)替(ti)代類型的(de)電極。

　　盡管三元(yuan)材料尤(you)其(qi)是高(gao)鎳正(zheng)極材料應(ying)用規模還遠沒有達到頂峰，現在考(kao)慮(lv)三元(yuan)材料材料的(de)未來(lai)，早嗎?動力電池是我國新能源汽車的(de)發展的(de)根基。古人有云：先謀(mou)后動，動則(ze)必成。

　　看一(yi)下(xia)本文的核心論點：

　　1.用(yong)于動力鋰電(dian)池的鈷和鎳資源(yuan)將在2030年前(qian)后將會(hui)出現供不(bu)應求的局面，三元(yuan)材料發展必然是不(bu)可持(chi)續的;

　　2.未來新型正(zheng)極(ji)材料(liao)必(bi)須是優于當前嵌入型正(zheng)極(ji)材料(liao)的一種高(gao)潛力材料(liao);

　　3.硅基材(cai)料(liao)與(yu)新型正極材(cai)料(liao)適(shi)配不僅(jin)要提高其能量密度，還要大幅度降低鋰離子電池的成(cheng)本(ben)。

　　電(dian)(dian)動(dong)汽車(che)(che)需要動(dong)力來(lai)源(yuan),動(dong)力蓄(xu)電(dian)(dian)池(chi)的(de)比能(neng)量(liang)、壽(shou)命(ming)、安全性和價(jia)格，對純(chun)電(dian)(dian)動(dong)汽車(che)(che)的(de)發展(zhan)至關重要，而鋰(li)離子電(dian)(dian)池(chi)具有比能(neng)量(liang)高(gao)、自放電(dian)(dian)低、壽(shou)命(ming)長等優(you)點(dian)，是目(mu)前(qian)最具實用價(jia)值的(de)電(dian)(dian)動(dong)汽車(che)(che)電(dian)(dian)池(chi)。經過20多年來(lai)的(de)科技進(jin)步，LIBs的(de)性能(neng)得到(dao)巨(ju)大(da)提升。鋰(li)電(dian)(dian)池(chi)包中比能(neng)量(liang)密(mi)度增(zeng)加了近3倍，從(cong)不到(dao)200Wh/L增(zeng)長到(dao)超(chao)過700Wh/L。生產成本是原來(lai)的(de)3%左右，目(mu)前(qian)可控制生產成本低于150$/kWh。但這仍然高(gao)于美國能(neng)源(yuan)部計劃的(de)100$/kWh的(de)目(mu)標(biao)。當前(qian)功率在(zai)(zai)50-100KW.h的(de)動(dong)力電(dian)(dian)池(chi)重量(liang)約(yue)為600公斤，體積(ji)也要在(zai)(zai)500L左右。

　　因為(wei)現(xian)在的(de)鋰電(dian)池的(de)能(neng)量密(mi)度已(yi)經(jing)接近理論最大(da)值(zhi)，LIBs的(de)能(neng)量密(mi)度提升(sheng)正逐(zhu)漸變緩。電(dian)池市場的(de)快速增長，使LIBs降(jiang)價(jia)更顯得遙不(bu)可及。相反(fan)的(de)是，在過(guo)去的(de)兩年里(li)，鋰電(dian)池產(chan)量的(de)激增幾(ji)乎使鈷的(de)價(jia)格(ge)幾(ji)乎翻了兩番，從(cong)每千克22美元生到81美元。市場需求的(de)增大(da)和(he)價(jia)格(ge)的(de)快速上漲已(yi)經(jing)鼓(gu)勵(li)一些生產(chan)商(shang)偷工減料(liao)，違反(fan)環境和(he)安全(quan)法規。例如，在中國，石墨礦釋放的(de)粉塵已(yi)經(jing)損壞了農作物、污染了村莊和(he)飲用水(shui)。而(er)在非洲(zhou)，一些礦主(zhu)剝削(xue)童工，在缺少防毒面具等(deng)防護(hu)設(she)備，手工開采(cai)礦石的(de)小型(xing)礦山，通常這么做(zuo)觸(chu)犯法律。包(bao)括寶馬(ma)在內的(de)一些公司都制定嚴格(ge)的(de)政策來督促其鈷供應商(shang)，而(er)其它(ta)一些電(dian)動車生產(chan)廠家并不(bu)這樣(yang)做(zuo)。

　　這一(yi)切(qie)最簡單的解決(jue)辦法就是開(kai)發廉價的常用金屬如(ru)(ru)鐵和銅(tong)的替代類型的電(dian)(dian)(dian)極(ji)。在美(mei)國(guo)亞特蘭大佐治亞理工(gong)學(xue)院GlebYushin教授及其同事看(kan)來，最有(you)希(xi)望的“替代電(dian)(dian)(dian)極(ji)材料”(Conversion-typecathodematerials)，如(ru)(ru)銅(tong)或(huo)鐵的氟(fu)化物(wu)或(huo)者硅。它們(men)通過化學(xue)方式儲存鋰，但這項技術(shu)仍處于(yu)早期(qi)階段(duan)。要實際應用必須克服穩定性、充電(dian)(dian)(dian)速度和制(zhi)造方面的問題。GlebYushin教授呼吁材料科學(xue)家、工(gong)程師和資助機構優(you)先(xian)研究和開(kai)發基于(yu)豐富元素(su)的電(dian)(dian)(dian)極(ji)。否(fou)則，電(dian)(dian)(dian)動汽車的推廣將在十年(nian)內遭受重創。

　　當(dang)前電動汽車的(de)商用電池(chi)中，鋰離子(zi)被(bei)束縛(fu)在組成(cheng)電極的(de)晶體中的(de)微(wei)小空隙中(這些(xie)被(bei)稱為(wei)插層電極)。負極通常由(you)石墨制成(cheng)，正極則由(you)金屬氧(yang)化物構成(cheng)。

　　常(chang)(chang)(chang)見的三元正(zheng)極(ji)材(cai)料(liao)包括(kuo)鎳鈷(gu)鋁氧化物(NCA，例(li)(li)如LiNi0.8Co0.15Al0.05O2)或鎳鈷(gu)錳氧化物(NCM，例(li)(li)如LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2或LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2)。100kg的鋰(li)離子動力(li)電池(chi)正(zheng)極(ji)材(cai)料(liao)通常(chang)(chang)(chang)需要(yao)(yao)6~12kg的鈷(gu)和36~48kg的鎳。而鈷(gu)通常(chang)(chang)(chang)是(shi)銅和鎳開采的副產品(pin)，也需要(yao)(yao)復雜的工藝與其它金屬分離，大多(duo)數礦(kuang)床僅含(han)有(you)0.003%的鈷(gu)金屬，很少有(you)鈷(gu)礦(kuang)藏集中到值得開采的程度。于(yu)是(shi)盡(jin)管地球上(shang)存(cun)儲(chu)的1015噸(dun)鈷(gu)中，只有(you)107噸(dun)可(ke)以利(li)用。同樣，全球1015噸(dun)鎳儲(chu)量(liang)中也只有(you)108噸(dun)具有(you)商業開采價值。

　　現在只有(you)少數地(di)方發(fa)現了富鈷(gu)礦(kuang)物(wu)。非洲(zhou)剛果(DRC)提供了2015年全球(qiu)14.8萬噸鈷(gu)中(zhong)(zhong)的(de)一半(56%)。其中(zhong)(zhong)大(da)部分(fen)流向中(zhong)(zhong)國，中(zhong)(zhong)國擁有(you)20萬至40萬噸的(de)鈷(gu)的(de)庫存。澳大(da)利亞擁有(you)全球(qiu)14%的(de)鈷(gu)儲(chu)量(liang)，已經(jing)可以(yi)從深海(hai)海(hai)底開(kai)采出來，但在這樣的(de)開(kai)采成本、生態和經(jing)濟都太高，尚不能充分(fen)開(kai)發(fa)利用。

　　同樣，鎳的(de)(de)(de)(de)生產也由十幾個(ge)國(guo)家主導(dao)。2017年(nian)，印度尼西亞、菲律(lv)賓、加拿大(da)、新喀里多尼亞、俄羅斯和澳大(da)利亞共(gong)同供(gong)應了(le)全球210萬噸礦(kuang)石中的(de)(de)(de)(de)72%。但(dan)其中不到(dao)十分之一用于(yu)鋰電池;其余的(de)(de)(de)(de)主要用于(yu)鋼鐵和電子產品。盡管鎳的(de)(de)(de)(de)提(ti)取成本低(di)于(yu)鈷，但(dan)2015年(nian)以來，需求的(de)(de)(de)(de)增長已將鎳價(jia)(jia)格(ge)從每公斤9美(mei)元提(ti)高到(dao)14美(mei)元，漲(zhang)幅約(yue)為50%。鈷和鎳都經歷(li)了(le)突然的(de)(de)(de)(de)價(jia)(jia)格(ge)上(shang)漲(zhang)和崩潰(kui)。例(li)如，澳大(da)利亞供(gong)應中斷，中國(guo)對鋼鐵的(de)(de)(de)(de)需求增加，對沖(chong)基(ji)金經理的(de)(de)(de)(de)投機行(xing)為導(dao)致鎳價(jia)(jia)格(ge)上(shang)漲(zhang)5倍(bei)，而在(zai)2008-2009年(nian)鈷價(jia)(jia)格(ge)上(shang)漲(zhang)3倍(bei)。

　　如果照此發(fa)展下去，鈷(gu)和鎳將(jiang)在20年內出現供(gong)應(ying)缺口。隨著(zhu)LIBs的(de)需求量(liang)持續增(zeng)長，預計到2030年鈷(gu)會(hui)供(gong)不(bu)應(ying)求，鎳可(ke)能會(hui)在2037年以(yi)前斷貨。盡管我(wo)們可(ke)以(yi)開采質量(liang)較差的(de)礦石，但更高(gao)的(de)加工成本會(hui)推高(gao)鈷(gu)鎳價(jia)格。

　　電動(dong)(dong)廠家和政府預計到(dao)2025年(nian)(nian)，每年(nian)(nian)將(jiang)會生產(chan)(chan)1000萬(wan)(wan)(wan)(wan)(wan)-2000萬(wan)(wan)(wan)(wan)(wan)輛(liang)電動(dong)(dong)汽(qi)(qi)車。如果(guo)每輛(liang)汽(qi)(qi)車的(de)(de)電池(chi)(chi)需(xu)要(yao)(yao)10kg的(de)(de)鈷，到(dao)2025年(nian)(nian)，僅電動(dong)(dong)汽(qi)(qi)車每年(nian)(nian)需(xu)要(yao)(yao)10-20萬(wan)(wan)(wan)(wan)(wan)噸(dun)的(de)(de)鈷，這(zhe)是(shi)目(mu)前(qian)(qian)世界(jie)上大(da)部(bu)分產(chan)(chan)量。同樣地(di)，每年(nian)(nian)需(xu)要(yao)(yao)40-80萬(wan)(wan)(wan)(wan)(wan)噸(dun)鎳，相當于(yu)今天所有金(jin)屬的(de)(de)20-40%。當卡(ka)車、公共汽(qi)(qi)車、飛(fei)機和船舶使(shi)用動(dong)(dong)力電池(chi)(chi)時，還需(xu)要(yao)(yao)更多的(de)(de)電池(chi)(chi)。到(dao)2050年(nian)(nian)，每年(nian)(nian)生產(chan)(chan)5000萬(wan)(wan)(wan)(wan)(wan)到(dao)8000萬(wan)(wan)(wan)(wan)(wan)輛(liang)電動(dong)(dong)汽(qi)(qi)車需(xu)要(yao)(yao)50-80萬(wan)(wan)(wan)(wan)(wan)噸(dun)鈷。2030年(nian)(nian)以后(hou)，這(zhe)將(jiang)遠遠超(chao)過目(mu)前(qian)(qian)的(de)(de)采礦能(neng)力。同樣，到(dao)2050年(nian)(nian)，鎳的(de)(de)需(xu)求量將(jiang)增加2-3倍。到(dao)2030年(nian)(nian)中期，鎳的(de)(de)短缺(que)將(jiang)是(shi)顯而易(yi)見(jian)的(de)(de)，循環利(li)用也(ye)無法補(bu)充供(gong)應。因為(wei)鋰(li)離子電池(chi)(chi)的(de)(de)壽命(ming)為(wei)15-20年(nian)(nian)，是(shi)鉛酸電池(chi)(chi)的(de)(de)5-7年(nian)(nian)的(de)(de)3倍。一旦供(gong)應量達到(dao)峰值，我(wo)們估計電動(dong)(dong)汽(qi)(qi)車電池(chi)(chi)的(de)(de)價格可能(neng)會上漲1000美元以上。

　　答(da)案是(shi)用常規金屬(鐵(tie)(tie)、銅(tong))來(lai)生(sheng)產鋰離(li)子(zi)電池正(zheng)極材(cai)料(liao)。例如鐵(tie)(tie)不僅價(jia)格低廉(低至6美(mei)分/kg)而且儲(chu)量豐(feng)富(760億(yi)噸)。因(yin)為傳統的(de)(de)(de)富鐵(tie)(tie)材(cai)料(liao)(LiFePO4)和(he)富錳材(cai)料(liao)(LiMnO2或(huo)LiMn2O4)在使用中都(dou)有各(ge)(ge)種(zhong)各(ge)(ge)樣的(de)(de)(de)缺陷，因(yin)此最(zui)有希望(wang)的(de)(de)(de)替代方(fang)案是(shi)在電極中使用“替換正(zheng)極材(cai)料(liao)”。銅(tong)/鐵(tie)(tie)氟化(hua)物和(he)硅可與鋰離(li)子(zi)化(hua)學反應來(lai)實(shi)現(xian)鋰的(de)(de)(de)存儲(chu)，可以容納(na)比標(biao)準(zhun)正(zheng)極多六倍的(de)(de)(de)能量。

　　轉換型(xing)正(zheng)極(ji)材(cai)料(liao)的(de)機(ji)理(li)：它的(de)電化學轉換反應是一種不同于(yu)(yu)傳統的(de)鋰(li)離(li)(li)子(zi)(zi)嵌入/脫出反應的(de)新型(xing)儲鋰(li)機(ji)制。反應過(guo)程中(zhong)有多個電子(zi)(zi)轉移，因此基于(yu)(yu)電化學轉換反應機(ji)理(li)的(de)電極(ji)材(cai)料(liao)都具備非常高的(de)理(li)論比容量。這類電極(ji)材(cai)料(liao)主要由(you)過(guo)渡金(jin)屬(shu)的(de)氧(yang)化物、硫(liu)化物或者(zhe)氟化物等幾(ji)種類型(xing),其(qi)中(zhong)過(guo)渡金(jin)屬(shu)氟化物由(you)于(yu)(yu)其(qi)較(jiao)(jiao)強的(de)離(li)(li)子(zi)(zi)鍵而具備較(jiao)(jiao)高的(de)工作電位,比較(jiao)(jiao)適合(he)做鋰(li)離(li)(li)子(zi)(zi)電池的(de)正(zheng)極(ji)材(cai)料(liao)。其(qi)中(zhong)硅(gui)基材(cai)料(liao)非常適合(he)與之搭配。

　　一(yi)(yi)旦這(zhe)兩(liang)種材(cai)料的成(cheng)(cheng)功運用，為(wei)電(dian)(dian)動汽(qi)車提供動力的電(dian)(dian)池可以(yi)減少一(yi)(yi)半，同時成(cheng)(cheng)本，重量和(he)體積(ji)將減少一(yi)(yi)半甚至更多。但要(yao)(yao)實(shi)現這(zhe)一(yi)(yi)目標，電(dian)(dian)池研究者們需(xu)要(yao)(yao)研發(fa)高性(xing)能氟化物(wu)材(cai)料和(he)更有(you)效的電(dian)(dian)解質。工程師需(xu)要(yao)(yao)努力開發(fa)使用這(zhe)些材(cai)料的設(she)備(bei)和(he)工藝。除(chu)此之外，轉(zhuan)換型材(cai)料制備(bei)的電(dian)(dian)池還有(you)一(yi)(yi)些缺點，例如電(dian)(dian)導(dao)率低，倍率性(xing)能不佳(jia);轉(zhuan)換材(cai)料與電(dian)(dian)解液的副(fu)反應(ying)嚴(yan)重;正、負極SEI膜形成(cheng)(cheng)較厚，有(you)電(dian)(dian)壓(ya)滯后(hou)現象;電(dian)(dian)極充電(dian)(dian)后(hou)膨脹收(shou)縮(suo)比(bi)較嚴(yan)重。

　　替換型材料簡介

　　與嵌入型(xing)材料電極相比，充放電過程(cheng)中轉換型(xing)材料和Li結合前后會發生斷(duan)鍵(jian)(jian)和成鍵(jian)(jian)。Li進(jin)而(er)進(jin)入FeF2后，Fe-F鍵(jian)(jian)斷(duan)裂(lie)后，Li與F重(zhong)現鍵(jian)(jian)合生成LiF(TypeA)。[2]

　　“新材(cai)料智(zhi)庫(ku)(ku)(ku)”是(shi)中(zhong)國(guo)鋼研戰(zhan)略所(suo)微信(xin)(xin)公(gong)眾平臺。中(zhong)國(guo)鋼研戰(zhan)略所(suo)是(shi)國(guo)家(jia)(jia)新材(cai)料產(chan)業(ye)(ye)(ye)(ye)發展(zhan)(zhan)專家(jia)(jia)咨詢(xun)(xun)委(wei)員(yuan)會(hui)秘(mi)書(shu)處常設辦公(gong)機(ji)構之(zhi)一(yi)，也是(shi)國(guo)家(jia)(jia)工信(xin)(xin)部、科技(ji)部、國(guo)資(zi)委(wei)支撐研究機(ji)構之(zhi)一(yi)。依托深厚的(de)科研實力(li)和領先的(de)人才(cai)優勢，在(zai)院(yuan)(yuan)士(shi)、專家(jia)(jia)的(de)帶(dai)領下，成(cheng)為(wei)工信(xin)(xin)智(zhi)庫(ku)(ku)(ku)聯盟、中(zhong)央企(qi)業(ye)(ye)(ye)(ye)智(zhi)庫(ku)(ku)(ku)聯盟成(cheng)員(yuan)單位和工信(xin)(xin)部軍民(min)融(rong)合科技(ji)服務(wu)機(ji)構，為(wei)政府(fu)部門、科研機(ji)構和國(guo)內(nei)外企(qi)業(ye)(ye)(ye)(ye)提(ti)供(gong)戰(zhan)略咨詢(xun)(xun)、科技(ji)信(xin)(xin)息檢索、行業(ye)(ye)(ye)(ye)分析、市場調研及(ji)產(chan)業(ye)(ye)(ye)(ye)規劃服務(wu);參與國(guo)家(jia)(jia)工信(xin)(xin)部、科技(ji)部有(you)關(guan)新材(cai)料規劃及(ji)文(wen)件編(bian)制工作;承擔中(zhong)國(guo)工程(cheng)院(yuan)(yuan)重(zhong)大、重(zhong)點戰(zhan)略咨詢(xun)(xun)項(xiang)目(mu);為(wei)地方政府(fu)制定產(chan)業(ye)(ye)(ye)(ye)發展(zhan)(zhan)規劃;為(wei)眾多企(qi)業(ye)(ye)(ye)(ye)編(bian)制產(chan)品發展(zhan)(zhan)規劃、提(ti)供(gong)市場調研服務(wu)。

　　陶瓷內襯氣流粉碎機具有以下性能優勢：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，產品粒度D97=3-74微米之間任意調節。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、低熔點及揮發性物料的粉碎。物料相互碰撞進行粉碎，有別于機械粉碎依靠刀片或錘頭等對物料的沖擊粉碎，再加上的陶瓷內襯，因而設備磨損小，產品純度高。可與多級氣流分級機串聯使用，一次生產多個粒度段的產品。陶瓷內襯氣流粉碎機設備結(jie)構(gou)緊湊，拆裝清洗方便，內壁光滑無死角(jiao)。 整套系統全負壓密閉運行(xing)，無粉塵，噪(zao)音低，生產(chan)過程清潔環保。

　　埃(ai)爾派建(jian)造(zao)的(de)(de)(de)(de)超微(wei)(wei)粉(fen)(fen)碎(sui)(sui)的(de)(de)(de)(de)實驗(yan)室凈化間內，配備小(xiao)(xiao)試(shi)、中試(shi)、小(xiao)(xiao)生產的(de)(de)(de)(de)超微(wei)(wei)粉(fen)(fen)氣流粉(fen)(fen)碎(sui)(sui)機(ji)、粒徑(jing)檢測、粉(fen)(fen)體特性檢測相(xiang)關的(de)(de)(de)(de)儀器，可(ke)以(yi)精確分析不(bu)同原料(liao)的(de)(de)(de)(de)性質，提供批量的(de)(de)(de)(de)原料(liao)加工，豐(feng)富的(de)(de)(de)(de)微(wei)(wei)粉(fen)(fen)經(jing)驗(yan)和專業的(de)(de)(de)(de)粉(fen)(fen)碎(sui)(sui)設備可(ke)以(yi)大幅(fu)縮短需求方的(de)(de)(de)(de)研發周期，并解決原料(liao)微(wei)(wei)粉(fen)(fen)化過程中遇到(dao)的(de)(de)(de)(de)各(ge)種問題，歡(huan)迎有需要的(de)(de)(de)(de)朋友(you)來(lai)電垂詢!

推薦您閱讀粉體行業資訊、了解工業產品技術、熟悉更多超微粉碎產品百科知識(shi)，助您選(xuan)設(she)備不求人(ren)。