Из каких трех материалов состоит тройная литиевая батарея?

1.Из каких трех материалов состоит тройная литиевая батарея?

Материал положительного электрода литиевая батарея Как правило, это карбонат лития, фосфат железа лития, оксид марганца лития и никель-металлогидридные батареи; материал отрицательного электрода, как правило, состоит из положительного электрода никель-металлогидридных батарей и отрицательного электрода никель-кобальтовых батарей; сепаратор обычно состоит из полипропилена; а электролит, как правило, состоит из минерального масла и растворителей. Стабильность работы батареи обеспечивается за счет различных структур электродных материалов и электролитов. Электродный материал представляет собой полимерное соединение (например, полиакрилонитрил), обладающее высокой удельной поверхностью и химической активностью, а электролит - жидкую смесь, обладающую хорошей химической стабильностью, текучестью электролита, легко контролируемой вязкостью и кислотностью. Сепараторы можно разделить на микропористые сепараторы и сотовые сепараторы. Микропористые сепараторы обычно используются в блоках литий-ионных батарей, сотовые сепараторы - в блоках батарей электромобилей, а сотовые сепараторы - в блоках конденсаторов в блоках батарей для зарядки автомобилей.

2.Структурные характеристики троичных литиевых батарей

Тернарные литиевые батареи используют металлический литий в качестве материала положительного электрода и имеют структуру NCA/NCA. Его структурной особенностью является использование металлического лития вместо материала NCA на отрицательном электроде. Поскольку материал положительного электрода является наиболее важным компонентом тернарных материалов, он занимает наибольшую площадь, а материал отрицательного электрода выполняет защитную роль. В нижней части аккумуляторного блока также установлена оболочка, состоящая в основном из корпуса и сепаратора. Сепаратор содержит сшивающие агенты алкоксида кремния, которые отделяют слой положительного электрода и способствуют обмену зарядами со стороной отрицательного электрода, поэтому от работы сепаратора во многом зависит емкость и безопасность батареи. Кроме того, металлический литий является отличным проводником с хорошей теплопроводностью. Для троичных литиевых батарей очень важно, чтобы между ионами лития и молекулами металлического лития образовывалась прочная и нерастворимая защитная пленка.

Благодаря высочайшей энергетической плотности и стоимости (используется самый ценный металл - кобальт), оксид кобальта лития (LCO) в основном используется в бытовой электронике, где чувствительность к цене аккумулятора невысока.
В сфере энергетики с 2009 по 2016 год литий-железо-фосфат (LFP) доминировал в легковых автомобилях (менее 9 мест) и коммерческих автомобилях (9 мест и выше, или преимущественно для грузовых перевозок) благодаря своей низкой стоимости и высокой безопасности.
После 2016 года, с ростом спроса на батареи с высокой плотностью энергии в потребительских автомобилях и политикой, благоприятствующей таким батареям, в легковых автомобилях появились тернарные материалы, в то время как коммерческие автомобили продолжали в основном использовать LFP.
На зарубежных рынках для хранения энергии в основном используются тернарные материалы, в то время как на отечественном рынке в основном применяется фосфат железа лития, особенно переработанный фосфат железа лития. С развитием отечественной технологии производства литий-железо-фосфатных (LFP) батарей, снижением стоимости и подтверждением безопасности, LFP отечественного производства постепенно проникает на мировой рынок накопителей энергии.

3.Четыре основных материала для литиевых батарей

Литий-ионные батареи представляют собой современные высокопроизводительные аккумуляторы, состоящие из материалов положительных электродов, материалов отрицательных электродов, сепараторов и электролитов в качестве четырех основных компонентов. Для их работы необходимы высокая плотность энергии, длительный срок службы и надежная безопасность.

Внутренняя цепочка поставок для электрификации хорошо отлажена, и ландшафт ясен. В 2019 году на долю китайских предприятий пришлось 77% из CR4 в отраслях силовых батарей/положительных электродов/отрицательных электродов/сепараторов/электролитов, соответственно, что свидетельствует о явных лидерах в каждой из подобластей.

(1) Материалы положительных электродов литиевых батарей

В последние годы бурный рост производства и продаж новых энергетических транспортных средств в Китае привел к быстрому развитию всей отраслевой цепочки, особенно к росту спроса на силовые батареи. Поскольку на долю силовых батарей приходится около 30-40% стоимости производства новых энергетических транспортных средств, для того чтобы сделать новые энергетические транспортные средства более конкурентоспособными по цене и завоевать достаточную конкурентоспособность на рынке, крайне важно снизить стоимость силовых батарей. Среди составляющих затрат на силовые батареи стоимость материалов положительных электродов превышает 40% (что эквивалентно примерно 16% всего автомобиля), поэтому снижение стоимости материалов положительных электродов имеет решающее значение.

Согласно статистике, в 2020 году общий объем производства четырех ведущих положительных электродных материалов в Китае составит 519 000 тонн, увеличившись за год на 20,8%, при этом производство железофосфатных материалов лития достигнет 142 000 тонн, увеличившись за год на 45,7%. Производство положительных электродных материалов из кобальтата лития и оксида марганца лития составило 73 800 тонн и 92 900 тонн соответственно, увеличившись за год на 24,8% и 21,6%; темпы роста производства тернарных материалов были самыми низкими, всего 7%, а общий годовой объем производства составил 210 000 тонн.
В первом квартале 2020 года 17 производителей материалов для положительных электродов обеспечили поставки, что на 7 меньше, чем в 2019 году. Это свидетельствует о том, что в отрасли началась перестройка, и небольшие предприятия с низкими производственными мощностями, технологиями и структурой клиентов начинают уходить с рынка, а концентрация, как ожидается, будет расти.

Положительные электродные материалы являются одним из ключевых материалов, определяющих производительность литий-ионных батарей, а также основным источником ионов лития в коммерческих литий-ионных батареях. Их характеристики и цена существенно влияют на плотность энергии и производительность литиевых батарей. В настоящее время успешно разработанные и применяемые материалы для положительных электродов в основном включают оксид кобальта лития, фосфат железа лития, оксид марганца лития и тройные материалы (никель-кобальт-марганец-литий, оксид никеля лития), при этом основными материалами для положительных электродов литиевых батарей в Китае являются фосфат железа лития и тройные материалы.

Оксид кобальта лития имеет высокую стоимость и короткий срок службы, в основном используется в продуктах 3C; оксид марганца лития имеет низкую плотность энергии и короткий срок службы, но низкую стоимость, в основном используется в специальных автомобилях; фосфат железа лития имеет долгий срок службы, хорошую безопасность и низкую стоимость, в основном используется в коммерческих автомобилях; тройные материалы, особенно NCM, имеют высокую плотность энергии, хорошие характеристики циклирования и долгий срок службы, в основном используются в пассажирских автомобилях.

Многие компании, производящие тернарные батареи, сосредоточены на исследованиях и разработке высоконикелевых тернарных батарей. Хотя тернарные литиевые батареи немного уступают литий-железо-фосфатным батареям в плане безопасности и стабильности, они имеют преимущества в плотности энергии, устойчивости к низким температурам и дальности действия, с которыми другие батареи не могут сравниться.

Положительные электродные материалы должны обладать следующими характеристиками:

A. Имеют высокий потенциал окислительно-восстановительной реакции для достижения высокого выходного напряжения литий-ионных батарей;
B.Высокое содержание лития, высокая плотность укладки материала, что приводит к высокой плотности энергии литий-ионных батарей;
C.Хорошая структурная стабильность во время химических реакций, что приводит к длительному сроку службы литий-ионных батарей;
D. Высокая проводимость, что обеспечивает хорошую скорость заряда и разряда литий-ионных батарей;
E.Хорошая химическая стабильность и термическая стабильность, не легко разлагается или нагревается, что приводит к хорошей безопасности литий-ионных батарей;
F.Низкая стоимость, что приводит к достаточно низкой цене литий-ионных батарей;
G.Относительно простой процесс производства, подходит для крупномасштабного производства;
H.Низкий уровень загрязнения окружающей среды, легко перерабатывать и повторно использовать.
В настоящее время такие ключевые показатели, как плотность энергии, скорость заряда и разряда, а также безопасность литий-ионных аккумуляторов, в основном ограничиваются материалами положительных электродов.

(2) Материалы отрицательного электрода литиевых батарей

Отрицательный электрод - основной компонент литиевых батарей, состоящий из активных материалов отрицательного электрода, связующих и добавок, смешанных в пасту и равномерно нанесенных на обе стороны медной фольги, затем высушенных и свернутых в рулон.

Материалы отрицательных электродов в основном относятся к активным материалам отрицательных электродов. Отрицательные электроды можно разделить на две категории: углеродные и неуглеродные материалы. К углеродным материалам относятся искусственный графит, природный графит, микросферы мезофазного углерода, твердый углерод и мягкий углерод, а к неуглеродным материалам - материалы на основе кремния, олова и оксида титана лития.

4.Состав материалов положительного электрода тернарного литий-ионного аккумулятора

Положительные электродные материалы тернарных литий-ионных батарей в основном состоят из четырех элементов: никеля (Ni), кобальта (Co), марганца (Mn) и лития (Li). В общем процессе производства положительных электродных материалов источниками различных элементов являются сульфат никеля, сульфат кобальта, сульфат марганца и карбонат лития, соответственно. В следующих разделах анализируются минеральные источники этих элементов, их основные географические ареалы распространения, распространенность этих ресурсов в Китае и то, как развитие цепочки производства литий-ионных аккумуляторов влияет на спрос на эти ресурсы.

(1) Ресурсы лития

Предприятия по добыче и производству литиевых руд в основном поставляют карбонат или гидроксид лития в качестве сырья для производителей положительных электродов для аккумуляторов. Существует четыре основных метода получения солей лития из литиевых руд: известковый метод, метод серной кислоты и сульфата, а также метод хлоридного обжига. Основной процесс этих четырех методов заключается в спекании литиевых руд с серной кислотой или сульфатами, известью или хлоридами, а затем в получении продуктов литиевой соли с помощью таких процессов, как растворение и фильтрация. В настоящее время основной процесс переработки литиевой руды в литий использует сернокислотный метод.

Основным сырьем для получения литиевой руды являются сподумен и литиевая слюда. Сподумен - самый богатый источник лития и наиболее благоприятный для промышленного производства. В мире богатые литием месторождения сподумена распространены в основном в Австралии, Канаде, Зимбабве, Заире, Бразилии и Китае; месторождения литиевой слюды находятся в основном в Зимбабве, Канаде, США, Мексике и Китае.
Китай обладает превосходными условиями для образования литиевых руд. В соответствии с условиями и законами формирования литиевых руд Китай разделил страну на 12 литиевых рудообразующих поясов, таких как Сунпан-Ганьцзы, Алтай, Северный Тибет и Цайдам, прогнозируя потенциальные ресурсы лития (LiCl) из рассольных литиевых рудников в размере 92,48 млн тонн, из которых 52,21 млн тонн находятся в пределах 500 метров; потенциальные ресурсы лития из твердых пород (Li2O) составляют 5,94 млн тонн, из которых 4,96 млн тонн находятся в пределах 500 метров. Прогнозные потенциальные ресурсы, эквивалентные металлическому литию, составляют 17,6 млн тонн (эквивалент карбоната лития - 93,67 млн тонн), при этом подтвержденный уровень ресурсов составляет всего 25,4%.

В 2015 году общий объем потребления достиг 78 700 тонн лития в карбонатном эквиваленте, что составило 37,2% от общемирового объема. В том же году в структуре потребления литиевой продукции в Китае на аккумуляторы пришлось 50,9%, смазочные материалы - 15,3%, стеклокерамику - 12,8%, фармацевтику - 8,2%, красители и адсорбенты - 5,1%, катализаторы - 4,2% и прочее - 3,5%. Если мы оценим спрос на литий-ионные батареи в Китае в 125 ГВт-ч в 2020 году (по сравнению с 30 ГВт-ч в 2016 году), при этом половина батарей будут тернарными (предполагается NCM523), а на каждый кВт-ч тернарной батареи будет расходоваться 0,52 кг никеля (в пересчете на металлический никель), то к 2020 году количество никеля, потребляемого литий-ионными батареями для питания, достигнет 32 000 тонн, что составляет незначительную долю от годового потребления никеля в стране. Поэтому ожидается, что рост спроса на никель из-за литий-ионных батарей не изменит текущую структуру спроса и предложения никелевых ресурсов.

(2) Ресурсы никеля

Предприятия по добыче и производству никелевых руд в основном поставляют сульфат никеля в качестве сырья для производителей положительных электродов для аккумуляторов. Запасы никеля содержатся в латеритных никелевых рудах. Основное распространение латеритных никелевых руд в мире приходится на два региона в тропиках: Новая Каледония и восточная Австралия в Океании, простирающиеся на север до Индонезии и Филиппин в Юго-Восточной Азии; и Карибский регион в Центральной Америке. Большинство промышленно значимых латеритных никелевых месторождений разрабатывается поверх ультраосновных пород, образовавшихся в результате длительного химического выветривания в тропических или субтропических регионах и состоящих из рыхлых глиноподобных руд, содержащих железо, алюминий, кремний и другие гидратированные оксиды.

Австралия обладает крупнейшими в мире запасами металлического и основного никеля, составляющими 37,8% и 19,6% от общемирового объема, соответственно. Запасы сосредоточены в основном в Австралии, Новой Каледонии, России, Кубе, Канаде, Бразилии, ЮАР и Индонезии, на долю которых приходится 89,5% от общемировых запасов металлического никеля и 84,1% от общемировых запасов основного никеля. Китайские запасы никеля относительно скудны - всего 9,6% от общих запасов никелевой руды в стране, что означает не только относительно небольшие запасы, но и относительно низкое содержание никелевой руды в латеритных рудах, что приводит к высокой стоимости добычи и недостаточной конкурентоспособности латеритных никелевых руд в Китае.

В настоящее время никелевые ресурсы во всем мире в основном используются для производства нержавеющей стали, а ниже перечислены основные сферы потребления никелевых ресурсов в Китае. Если мы оценим спрос на литий-ионные батареи в Китае в 125 ГВт-ч в 2020 году (по сравнению с 30 ГВт-ч в 2016 году), при этом половина батарей будут тернарными (предполагается NCM523), а на каждый кВт-ч тернарной батареи будет расходоваться 0,52 кг никеля (в пересчете на металлический никель), то к 2020 году количество никеля, потребляемого литий-ионными батареями для питания, достигнет 32 000 тонн, что составляет незначительную долю от годового потребления никеля в стране. Поэтому ожидается, что рост спроса на никель из-за литий-ионных батарей не изменит текущую структуру спроса и предложения никелевых ресурсов.

(3) Ресурсы кобальта

После добычи кобальтовой руды на предприятиях по рафинированию кобальта получают сульфат кобальта, который затем поступает в качестве сырья для положительных электродов троичных аккумуляторов. Кобальт широко распространен на Земле, но встречается в низких концентрациях. Кобальт в основном встречается вместе с медью и никелем, а независимые ресурсы кобальта составляют всего 17%.

Месторождения чистого кобальта (месторождения арсенида кобальта, сульфида кобальта и кобальтового железа) встречаются в мире редко. Ресурсы кобальта в основном связаны с латеритными никелевыми месторождениями, магматическими медно-никелевыми сульфидными месторождениями и месторождениями меди в песчаниках. Латеритные месторождения никеля распространены в основном в таких странах, как Куба, Новая Каледония и Филиппины в пределах экваториального пояса; магматические медно-никелевые сульфидные месторождения распространены в таких странах, как Россия, Канада, Австралия и Китай; песчаниковые месторождения меди находятся в основном в Конго (Киншаса) и Замбии. Кроме того, значительные запасы кобальта содержатся в марганцевых конкрециях на дне глубоких океанов и в районах подводных гор, главным образом в Тихом океане, что представляет собой потенциальные ресурсы на будущее. На рисунке ниже показано глобальное распределение ресурсов кобальта. Мировые запасы кобальта сосредоточены в основном в Конго (Киншаса), Австралии, Кубе, Новой Каледонии, Замбии и России, на долю которых приходится около 80% от общих мировых запасов кобальта.