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加利福尼亚州帕洛阿尔托的特斯拉工厂的技术人员,用于丰田RAV4的测试电池组。这样的电动汽车电池以及可再生能源生成器需要有限的供应量的关键材料。照片:Chris Connors(CC BY-NC 2.0)

活力

2021年10月20日

工程是放松清洁能源的关键材料的关键

撰稿人:Dolf Gielen

关键材料的供应已成为过渡到清洁能源的主题。与消耗化石燃料相比,电动汽车,太阳能光伏面板和风能发电机的制造需要更多的矿物质。

需要的关键矿物包括铜,锂,镍,稀土,硅等。该问题提出了有关能源过渡的可行性和速度,经济学和地缘政治后果的问题。但是,存在解决这个问题的策略:

  • 增加采矿并多元化供应
  • 避免或最小化的关键材料使用的创新材料
  • 循环经济概念,最大化再利用和回收利用

创新具有短期的关键作用,因为其影响最大,生产越来越大。这应该是减少关键材料依赖性的努力的起点。电动汽车电池和永久磁铁是受到最大关注的两种应用,很明显,创新在这两个领域都具有关键作用。

设计可以平衡电池材料的短缺

虽然汽车电池称为锂离子电池,但仅包含3%的锂。通常由镍,锰和钴组成​​的阴极可以占电池组总重量的15%。中型汽车的阴极重量可以为60-70千克。预计电动汽车的生产将从2021年的620万单位到2030年,将需要2.4-2.8吨阴极金属。趋势是镍含量高和低钴含量的阴极(Nimnco 811,含80%的镍)。与早期的阴极组成相比,这种趋势可降低钴的依赖性。2019年,世界镍产量为2.5吨,因此这种增长将增加一倍。镍价格在2017年至2021年之间已经翻了一番,达到20美元/千克。仅凭阴极材料即可以目前的价格为每辆车1500-2000美元,这是车辆总成本中的很大份额。

创新应该是减少关键材料依赖性的努力的起点。

因此,有明显的动力去寻找其他解决方案。中国公司基于低成本的材料开发了带有铁磷酸锂(LFP)阴极的锂波龙电池。它的成本从(美元)$ 140-160/kWh降低到$ 85/kwh。同时,由于材料成分,电池更安全(Sanderson,2021)。唯一的缺点是,单位能量的重量会加倍,因此范围减小。尽管如此,对于城市车辆而言,这可能是可以接受的。仍然有可能改善LFP电池化学。一个例子是将硅添加到石墨阳极中(Jaroni等,2019)。这家中国公司BYD开发了所谓的Blade LFP电池。虽然大多数汽车电池都包含将电池放在模块中,然后将其放入包装中,但在这种替代设计中,将长薄电池电池直接放入电池组中。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,并弥补由于壳体需求减少而导致的一些固有的细胞重量和范围缺陷。

永久磁铁:持续寻找可持续设计

此刻的第二个关注区域与永久磁铁有关。这些磁铁用于电力发生器(尤其是高性能的风力涡轮机)和节省空间和节省的电动机(电动汽车)。展望未来,电动汽车增长将成为永久磁铁的主要市场。稀土,尤其是新生岛和肾上腺素,被广泛用于发电机中的永久磁铁(例如风力涡轮机)和电动机(用于车辆)。预计到2030年,稀土永久磁铁应用预计将从稀土总需求的29%增加到40%。生产适合磁铁。

Neododymim-rion-Boron(NDFEB)磁铁将自己提供对轻巧应用和降低制造成本很重要的紧凑设计。它们还提高了能源效率。磁铁的重量占重量的总稀土元素含量约为30%,其材料成本约为总磁铁成本甚至更高的70%。在商业上烧结NDFEB磁铁,通常将其他稀土元素部分取代,包括praseodymium,dosprosium和Terbium。由于北亲孢子虫和praseodymium通常在矿石中共存,并且这两个元素具有相似的物理和化学特性,因此生产praseodym-neodymium合金代替矿石中的纯neododymium金属,并将这种合金与这种合金用作纯净的新近镁金属,并且使用该合金与纯净的新近硫酸盐的原始物质相似,并且更经济。磁铁。

供应紧缩的前景令人生畏,因为它会停止车辆生产。

近去通常是光稀土矿物质商业沉积物的稀土含量的10-18%。纽约市的全球储量估计约为800万吨,使其成为占地第二大的稀土元素。因此,资源是足够的,但是供应的短期和中期增长可能会构成挑战。另一个可能的挑战是,至少目前,采矿和磁铁生产集中在中国。为了在较高的温度(在汽车中)下进行北极磁体,添加了大量的肾上腺素(重量高达12%)。然而,就地壳的相对丰度而言,肾上腺不到所有稀土元素的1%。结果,降速供应不能足够快地扩展,以满足对电动汽车高温新近磁铁磁铁的不断增长的需求。因此,需要找到其他添加剂。

每辆车的永久性磁铁重量在1.5至5公斤之间,而新近山的价格为$ 120/kg,成本敞口似乎是可以控制的。但是,供应紧缩的前景令人生畏,因为它会停止汽车生产。雷诺和特斯拉已经分别采用了伤口转子和感应电动机技术,消除了稀土磁铁。这些技术和其他技术,特别是切换的不情愿电动机以及用低成本铁氧体替换稀土磁铁,可能会构成将来甚至更高性能的牵引电动机的基础。试图削减使用的公司包括日本的第三大汽车制造商Nissan,它正在其新的Ariya型号的发动机上取消稀土磁铁。德国的宝马今年为IX3电动SUV做了同样的事情,全球两家最大的汽车制造商Toyota和Volkswagen也正在减少矿物质。占2020年轻型汽车总销售额的46%的制造商表示,他们已经取消,计划消除或缩小电动汽车中的稀土磁铁。

工作还继续找到新的永久磁铁制剂,以减少或消除稀土金属的使用。

这两个关键应用程序的这一简要概述表明,关键材料供应在未来几年的能源过渡成功中的重要性。工程科学在寻找可行的途径方面起着至关重要的作用,该途径将允许加速的能量过渡。能源过渡将是一个增长市场前进的弗罗瓦德,可以建立领先地位的国家将拥有良好的经济前景。应其成员国的要求,Irena将继续专注于关键材料作为能源过渡的推动者。

阅读艾琳娜(Irena)发表的Dolf Gielen的论文:能源过渡的关键材料

关于作者

Dolf Gielen自2011年以来一直担任国际可再生​​能源局(IRENA)的创新和技术总监。他在能源过渡战略制定和实施和实施方面拥有超过25年的经验,以及国际背景下的技术政策。他拥有荷兰代尔夫特代理大学代理大学的博士学位。

标签:负担得起的清洁能源,,,,电池,,,,再生能源,,,,太阳能板,,,,可持续权力,,,,风能

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