Aus welchen drei Materialien besteht eine ternäre Lithiumbatterie?

Aus welchen drei Materialien besteht eine ternäre Lithiumbatterie?

Das Material der positiven Elektrode einer Lithium-Batterie besteht im Allgemeinen aus Lithiumcarbonat-, Lithiumeisenphosphat-, Lithiummanganoxid- und Nickel-Metallhydrid-Batterien; das negative Elektrodenmaterial besteht im Allgemeinen aus der positiven Elektrode von Nickel-Metallhydrid-Batterien und der negativen Elektrode von Nickel-Kobalt-Batterien; der Separator besteht im Allgemeinen aus Polypropylen; und der Elektrolyt besteht im Allgemeinen aus Mineralöl und Lösungsmitteln. Die Stabilität der Batterieleistung wird durch unterschiedliche Strukturen der Elektrodenmaterialien und Elektrolyte gewährleistet. Das Elektrodenmaterial ist eine Polymerverbindung (z. B. Polyacrylnitril), die eine hohe spezifische Oberfläche und chemische Aktivität aufweist, während der Elektrolyt eine Flüssigkeitsmischung ist, die eine gute chemische Stabilität und einen guten Elektrolytfluss aufweist und deren Viskosität und Säuregehalt leicht zu kontrollieren ist. Separatoren können in mikroporöse Separatoren und wabenförmige Separatoren unterteilt werden. Mikroporöse Separatoren werden im Allgemeinen in Lithium-Ionen-Batteriepacks verwendet, wabenförmige Separatoren in Batteriepacks für Elektrofahrzeuge und wabenförmige Separatoren in Kondensatorpacks für Autoladebatterien.

2.Strukturelle Merkmale von ternären Lithiumbatterien

Ternäre Lithiumbatterien verwenden Lithiummetall als Material für die positive Elektrode und haben eine NCA/NCA-Struktur. Ihr strukturelles Merkmal ist die Verwendung von metallischem Lithium anstelle von NCA-Material an der negativen Elektrode. Da das Material der positiven Elektrode die wichtigste Komponente der ternären Materialien ist, nimmt es den größten Raum ein, während das Material der negativen Elektrode eine Schutzfunktion erfüllt. Die Batteriehülle befindet sich ebenfalls am Boden des Akkupacks und besteht hauptsächlich aus einem Gehäuse und einem Separator. Der Separator enthält Siliziumalkoxid-Vernetzungsmittel, die die positive Elektrodenschicht trennen und den Ladungsaustausch mit der negativen Elektrodenseite erleichtern, so dass die Leistung des Separators einen großen Einfluss auf die Kapazität und Sicherheit der Batterie hat. Außerdem ist Lithiummetall ein ausgezeichneter Leiter mit guter Wärmeleitfähigkeit. Für ternäre Lithiumbatterien ist es von entscheidender Bedeutung, dass sich ein fester und unlöslicher Schutzfilm zwischen den Lithiumionen und den metallischen Lithiummolekülen bildet.

Aufgrund seiner höchsten Energiedichte und Kosten (durch die Verwendung des wertvollsten Metalls Kobalt) wird Lithium-Kobalt-Oxid (LCO) hauptsächlich in der Unterhaltungselektronik eingesetzt, wo die Preisempfindlichkeit von Batterien gering ist.
Im Bereich der Energieversorgung dominierte von 2009 bis 2016 Lithiumeisenphosphat (LFP) aufgrund seiner geringen Kosten und hohen Sicherheit in Personenkraftwagen (weniger als 9 Sitze) und Nutzfahrzeugen (9 Sitze und mehr, oder hauptsächlich für Frachtzwecke).
Nach 2016, als die Nachfrage nach Batterien mit hoher Energiedichte in Privatfahrzeugen zunahm und die Politik solche Batterien förderte, kamen ternäre Materialien in Personenkraftwagen auf, während Nutzfahrzeuge weiterhin hauptsächlich auf LFP setzen.
Bei der Energiespeicherung werden auf ausländischen Märkten hauptsächlich ternäre Materialien verwendet, während im Inland vor allem Lithiumeisenphosphat eingesetzt wird, insbesondere recyceltes Lithiumeisenphosphat. Mit der Reife der einheimischen Lithium-Eisen-Phosphat (LFP)-Batterietechnologie, der Kostensenkung und der geprüften Sicherheit dringt das im Inland hergestellte LFP allmählich in den globalen Energiespeichermarkt ein.

3. die vier wichtigsten Materialien für Lithiumbatterien

Lithium-Ionen-Batterien sind moderne Hochleistungsbatterien, die aus positiven Elektrodenmaterialien, negativen Elektrodenmaterialien, Separatoren und Elektrolyten als den vier Hauptkomponenten bestehen. Hohe Energiedichte, lange Lebensdauer und zuverlässige Sicherheit sind für die Leistung erforderlich.

Die inländische Lieferkette für die Elektrifizierung ist gut etabliert, und die Landschaft ist klar. Im Jahr 2019 entfielen auf chinesische Unternehmen 77% der CR4 in den Branchen Leistungsbatterie/positive Elektrode/negative Elektrode/Separator/Elektrolyt, was auf klare Branchenführer in jedem Teilbereich hinweist.

(1) Positive Elektrodenmaterialien von Lithiumbatterien

In den letzten Jahren haben die boomende Produktion und der Verkauf von Fahrzeugen mit neuer Energie in China die rasante Entwicklung der gesamten vor- und nachgelagerten Industriekette vorangetrieben, insbesondere die steigende Nachfrage nach Strombatterien. Da die Strombatterien etwa 30-40% der Herstellungskosten von Fahrzeugen mit neuer Energie ausmachen, ist es von entscheidender Bedeutung, die Kosten für Strombatterien zu senken, um Fahrzeuge mit neuer Energie preislich wettbewerbsfähiger zu machen und eine ausreichende Wettbewerbsfähigkeit auf dem Markt zu erreichen. Von den Kosten der Leistungsbatterien machen die Kosten für die positiven Elektrodenmaterialien mehr als 40% aus (das entspricht etwa 16% des gesamten Fahrzeugs), so dass eine Senkung der Kosten für die positiven Elektrodenmaterialien von entscheidender Bedeutung ist.

Statistiken zeigen, dass im Jahr 2020 die Gesamtproduktion der vier wichtigsten positiven Elektrodenmaterialien in China 519.000 Tonnen betrug, was einem Anstieg von 20,8% im Vergleich zum Vorjahr entspricht, wobei Lithiumeisenphosphat-Materialien eine starke Leistung erbrachten und eine Produktion von 142.000 Tonnen erreichten, was einem Anstieg von 45,7% im Vergleich zum Vorjahr entspricht. Die Produktion von Lithiumkobaltat- und Lithiummanganoxid-Materialien für positive Elektroden belief sich auf 73.800 Tonnen bzw. 92.900 Tonnen, mit einem Anstieg von 24,8% bzw. 21,6% gegenüber dem Vorjahr; die Wachstumsrate der Produktion von ternären Materialien war mit nur 7% am geringsten, bei einer jährlichen Gesamtproduktion von 210.000 Tonnen.
Im ersten Quartal 2020 gab es 17 Hersteller von positiven Elektrodenmaterialien, die ein Angebot erreichten, ein Rückgang um 7 im Vergleich zu 2019, was darauf hindeutet, dass die Umstrukturierung der Branche begonnen hat, wobei kleine Unternehmen mit schlechter Produktionskapazität, Technologie und Kundenstruktur beginnen, den Markt zu verlassen, und die Konzentration voraussichtlich zunehmen wird.

Positive Elektrodenmaterialien sind eines der Schlüsselmaterialien, die die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien bestimmen, und sie sind auch die Hauptquelle für Lithium-Ionen in kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien. Ihre Leistung und ihr Preis haben einen erheblichen Einfluss auf die Energiedichte und die Leistung von Lithiumbatterien. Zu den derzeit erfolgreich entwickelten und eingesetzten positiven Elektrodenmaterialien gehören vor allem Lithiumkobaltoxid, Lithiumeisenphosphat, Lithiummanganoxid und ternäre Materialien (Nickelkobaltmanganlithium, Lithiumnickeloxid), wobei die wichtigsten positiven Elektrodenmaterialien für Lithiumbatterien in China Lithiumeisenphosphat und ternäre Materialien sind.

Lithium-Kobalt-Oxid hat hohe Kosten und eine kurze Lebensdauer und wird hauptsächlich in 3C-Produkten verwendet; Lithium-Mangan-Oxid hat eine niedrige Energiedichte und eine kurze Lebensdauer, aber niedrige Kosten und wird hauptsächlich in Spezialfahrzeugen verwendet; Lithium-Eisen-Phosphat hat eine lange Lebensdauer, gute Sicherheit und niedrige Kosten und wird hauptsächlich in Nutzfahrzeugen verwendet; ternäre Materialien, insbesondere NCM, haben eine hohe Energiedichte, eine gute Zyklusleistung und eine lange Lebensdauer und werden hauptsächlich in Personenfahrzeugen verwendet.

Viele Unternehmen, die ternäre Batterien herstellen, konzentrieren sich auf die Forschung und Entwicklung von ternären Batterien mit hohem Nickelanteil. Obwohl ternäre Lithiumbatterien den Lithium-Eisenphosphat-Batterien in Bezug auf Sicherheit und Stabilität leicht unterlegen sind, haben sie Vorteile bei der Energiedichte, der Kältebeständigkeit und der Reichweite, die andere Batterien nicht bieten können.

Positive Elektrodenmaterialien müssen die folgenden Eigenschaften aufweisen:

A. Sie haben ein hohes Redox-Reaktionspotenzial, um eine hohe Ausgangsspannung von Lithium-Ionen-Batterien zu erreichen;
B. Hoher Lithiumgehalt, hohe Materialstapeldichte, was zu einer hohen Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien führt;
C. Gute strukturelle Stabilität bei chemischen Reaktionsprozessen, was zu einer langen Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien führt;
D. Hohe Leitfähigkeit, die zu einer guten Lade- und Entladerate von Lithium-Ionen-Batterien führt;
E. Gute chemische Stabilität und thermische Stabilität, nicht leicht zu zersetzen oder Hitze, was zu einer guten Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien;
F. Niedrige Kosten, was zu ausreichend niedrigen Kosten für Lithium-Ionen-Batterien führt;
G. Relativ einfaches Herstellungsverfahren, geeignet für Großserienproduktion;
H. Geringe Umweltbelastung, leicht zu recyceln und wiederzuverwenden.
Derzeit werden Schlüsselindikatoren wie Energiedichte, Lade- und Entladerate und Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien hauptsächlich durch positive Elektrodenmaterialien eingeschränkt.

(2) Negative Elektrodenmaterialien von Lithiumbatterien

Die negative Elektrode ist ein Hauptbestandteil von Lithiumbatterien. Sie besteht aus aktiven Materialien für die negative Elektrode, Bindemitteln und Additiven, die zu einer Paste vermischt und gleichmäßig auf beide Seiten einer Kupferfolie aufgetragen, dann getrocknet und gewalzt werden.

Negative Elektrodenmaterialien beziehen sich hauptsächlich auf aktive Materialien für negative Elektroden. Negative Elektroden lassen sich in zwei Kategorien unterteilen: Kohlenstoffmaterialien und Nicht-Kohlenstoffmaterialien. Zu den Kohlenstoffmaterialien gehören künstlicher Graphit, natürlicher Graphit, mesophasige Kohlenstoffmikrokugeln, harter Kohlenstoff und weicher Kohlenstoff, während zu den Nicht-Kohlenstoffmaterialien Materialien auf Siliziumbasis, Zinnbasis und Lithium-Titanoxid gehören.

4. die Zusammensetzung der positiven Elektrodenmaterialien der ternären Lithium-Ionen-Batterie

Die positiven Elektrodenmaterialien von ternären Lithium-Ionen-Batterien bestehen hauptsächlich aus vier Elementen: Nickel (Ni), Kobalt (Co), Mangan (Mn) und Lithium (Li). Im allgemeinen Produktionsprozess der positiven Elektrodenmaterialien sind die Quellen der verschiedenen Elemente Nickelsulfat, Kobaltsulfat, Mangansulfat bzw. Lithiumcarbonat. In den folgenden Abschnitten werden die mineralischen Quellen dieser Elemente, ihre wichtigsten geografischen Verteilungen, der Reichtum dieser Ressourcen in China und die Auswirkungen der Entwicklung der ternären Lithium-Ionen-Batterie-Industriekette auf die Nachfrage nach diesen Ressourcen analysiert.

(1) Lithium-Ressourcen

Die Bergbau- und Produktionsunternehmen für Lithiumerze liefern hauptsächlich Lithiumcarbonat oder Lithiumhydroxid in Batteriequalität als Rohstoffe an die Hersteller von positiven Elektrodenmaterialien für Batterien. Es gibt vier Hauptmethoden zur Herstellung von Lithiumsalzen aus Lithiumerzen: die Kalkmethode, die Schwefelsäuremethode und die Sulfat- und Chloridröstmethode. Das Hauptverfahren dieser vier Methoden besteht darin, Lithiumerze mit Schwefelsäure oder Sulfaten, Kalk oder Chloriden zu sintern und dann durch Prozesse wie Auflösung und Filtration Lithiumsalzprodukte herzustellen. Gegenwärtig wird bei der Umwandlung von Lithiumerzen in Lithium hauptsächlich die Schwefelsäuremethode angewandt.

Die wichtigsten Rohstoffe für die Verarbeitung von Lithiumerz zu Lithium sind Spodumen und Lithiumglimmer. Spodumen ist die reichhaltigste Quelle für Lithium und eignet sich am besten für die industrielle Produktion. Weltweit sind lithiumreiche Spodumenvorkommen hauptsächlich in Australien, Kanada, Simbabwe, Zaire, Brasilien und China zu finden; Lithiumglimmervorkommen gibt es vor allem in Simbabwe, Kanada, den Vereinigten Staaten, Mexiko und China.
China verfügt über hervorragende Bedingungen für die Bildung von Lithiumerzen. Entsprechend den Bedingungen und Gesetzen für die Lithiumerzbildung hat China das Land in 12 Lithiumgürtelregionen wie Songpan-Ganzi, Altai, Nordtibet und Qaidam eingeteilt. Die potenziellen Lithiumressourcen (LiCl) aus Sole-Lithium-Minen werden auf 92,48 Millionen Tonnen geschätzt, von denen 52,21 Millionen Tonnen innerhalb von 500 Metern liegen; die potenziellen Lithiumressourcen aus Hartgestein (Li2O) betragen 5,94 Millionen Tonnen, von denen 4,96 Millionen Tonnen innerhalb von 500 Metern liegen. Die prognostizierten potenziellen Ressourcen an metallischem Lithium belaufen sich auf 17,6 Mio. Tonnen (entspricht 93,67 Mio. Tonnen Lithiumkarbonat), mit einer bestätigten Ressourcenrate von nur 25,4%.

Im Jahr 2015 erreichte der Gesamtverbrauch 78.700 Tonnen Lithiumkarbonat-Äquivalent, was 37,2% des weltweiten Gesamtverbrauchs entspricht. In diesem Jahr entfielen 50,9% des chinesischen Lithiumproduktverbrauchs auf Batterien, 15,3% auf Schmiermittel, 12,8% auf Glaskeramik, 8,2% auf Arzneimittel, 5,1% auf Farbstoffe und Adsorbentien, 4,2% auf Katalysatoren und 3,5% auf andere Produkte. Wenn wir die Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien in China auf 125 GWh im Jahr 2020 schätzen (im Vergleich zu 30 GWh im Jahr 2016), wobei die Hälfte der Batterien ternäre Batterien sind (unter der Annahme von NCM523) und jede kWh einer ternären Batterie 0,52 kg Nickel verbraucht (berechnet als metallisches Nickel), dann wird die Menge an Nickel, die von Lithium-Ionen-Batterien für die Stromversorgung verbraucht wird, bis 2020 32.000 Tonnen erreichen, ein kleiner Bruchteil des jährlichen Nickelverbrauchs im Lande. Daher wird erwartet, dass der Anstieg der Nickelnachfrage aufgrund von Lithium-Ionen-Batterien die aktuelle Angebots-Nachfrage-Struktur der Nickelressourcen nicht verändern wird.

(2) Nickel-Ressourcen

Unternehmen, die Nickelerze abbauen und produzieren, liefern hauptsächlich Nickelsulfat in Batteriequalität als Rohstoff an Hersteller von positiven Elektrodenmaterialien für Batterien. Nickelvorkommen sind in lateritischen Nickelerzen zu finden. Die Hauptverbreitung von lateritischen Nickelerzen liegt weltweit in zwei Regionen in den Tropen: Neukaledonien und Ostaustralien in Ozeanien, das sich nördlich bis Indonesien und die Philippinen in Südostasien erstreckt, und die Karibik in Mittelamerika. Die meisten industriell bedeutsamen Laterit-Nickel-Lagerstätten entstehen auf ultramafischem Gestein, das durch lang anhaltende chemische Verwitterung in tropischen oder subtropischen Regionen entstanden ist und aus lockeren tonartigen Erzen besteht, die Eisen, Aluminium, Silizium und andere hydratisierte Oxide enthalten.

Australien verfügt über die größten Nickelmetallreserven und Basisreserven der Welt, die 37,8% bzw. 19,6% der globalen Gesamtreserven ausmachen. Die Reserven konzentrieren sich hauptsächlich auf Australien, Neukaledonien, Russland, Kuba, Kanada, Brasilien, Südafrika und Indonesien, die 89,5% der gesamten Nickelmetallreserven der Welt und 84,1% der gesamten Nickel-Basisreserven ausmachen. Chinas Nickelressourcen sind relativ knapp, mit nur 9,6% der gesamten Nickelerzreserven des Landes, was bedeutet, dass nicht nur die Reserven relativ klein sind, sondern auch die inländischen lateritischen Nickelerzqualitäten relativ niedrig sind, was zu hohen Extraktionskosten und einem Mangel an Wettbewerbsfähigkeit bei Chinas lateritischen Nickelerzen führt.

Derzeit werden die weltweiten Nickelressourcen hauptsächlich für die Herstellung von rostfreiem Stahl verwendet, und im Folgenden werden die Hauptverbrauchsbereiche der Nickelressourcen in China aufgeführt. Wenn wir die Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien in China auf 125 GWh im Jahr 2020 schätzen (im Vergleich zu 30 GWh im Jahr 2016), wobei die Hälfte der Batterien ternäre Batterien sind (unter der Annahme von NCM523) und jede kWh einer ternären Batterie 0,52 kg Nickel verbraucht (berechnet als metallisches Nickel), dann wird die Menge an Nickel, die von Lithium-Ionen-Batterien für die Stromversorgung verbraucht wird, bis 2020 32.000 Tonnen erreichen, ein kleiner Bruchteil des jährlichen Nickelverbrauchs im Land. Daher wird erwartet, dass der Anstieg der Nickelnachfrage aufgrund von Lithium-Ionen-Batterien die aktuelle Angebots-Nachfrage-Struktur der Nickelressourcen nicht verändern wird.

(3) Kobalt-Ressourcen

Nach dem Abbau von Kobalterz stellen Kobaltraffinerien Kobaltsulfat her, das dann als Rohstoff für positive Elektroden von ternären Batterien weiterverarbeitet wird. Kobalt ist auf der Erde weit verbreitet, kommt aber in geringen Konzentrationen vor. Kobalt kommt hauptsächlich in Verbindung mit Kupfer und Nickel vor, wobei die unabhängigen Kobaltressourcen nur 17% ausmachen.

Reine Kobaltvorkommen (Kobaltarsenidvorkommen, Kobaltsulfidvorkommen und Kobalteisenvorkommen) sind weltweit selten. Kobaltvorkommen sind hauptsächlich mit lateritischen Nickellagerstätten, magmatischen Kupfer-Nickel-Sulfid-Lagerstätten und Sandstein-Kupferlagerstätten verbunden. Lateritische Nickelvorkommen sind vor allem in Ländern wie Kuba, Neukaledonien und den Philippinen innerhalb des Äquatorialgürtels verbreitet; magmatische Kupfer-Nickel-Sulfid-Vorkommen sind vor allem in Ländern wie Russland, Kanada, Australien und China zu finden; Sandstein-Kupfervorkommen gibt es vor allem im Kongo (Kinshasa) und Sambia. Darüber hinaus gibt es beträchtliche Mengen an Kobalt in Manganknollen auf dem Tiefseeboden und in Seamount-Gebieten, vor allem im Pazifischen Ozean, die potenzielle Ressourcen für die Zukunft darstellen. Die nachstehende Abbildung zeigt die weltweite Verteilung der Kobaltressourcen. Die weltweiten Kobaltreserven konzentrieren sich hauptsächlich auf den Kongo (Kinshasa), Australien, Kuba, Neukaledonien, Sambia und Russland und machen etwa 80% der gesamten Kobaltreserven der Welt aus.