Nature子刊划重点!弥补全球钴供需,无钴正极or电池回收是否可行?

来源: 92avw2p0fi 2022-3-30 23:59:34 显示全部楼层 |阅读模式




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成果简介

近年来,人们越来越关注钴等关键电池材料潜在的供应风险。虽然电池技术和回收利用进步是解决此类供应需求的两个广为人知的策略,但它们能够在多大程度上能够缓解全球性和区域性钴的供需失衡问题仍然知之甚少。鉴于此,中南大学朱学红研究员,南丹麦大学刘刚教授和中国地质科学院代涛副研究员等人通过模拟以往20年数据(1998-2019年)和未来30年(2020-2050年)全球(包括中国、美国、日本、欧盟和其他国家)在传统和新兴钴用途,来弥补这一空白。本文首先描述了从1998年(钴的使用开始进入市场)到2019年(可获得的最新数据)的全球和区域钴循环,然后采用前瞻性的库存驱动方法探索截至2050年各地区最终用途的钴需求和二次供应潜力。研究表明,从长远来看,无钴电池和回收进展确实可以明显缓解钴供应风险;然而,由于全球汽车电气化的雄心,即使在最乐观的情况下,2028年至2033年之间的钴短缺似乎也是不可避免的。本文的结果揭示了未来钴供需平衡和供应安全水平的明显区域差异,并表明增加初级钴供应以确保全球电动汽车健康发展的紧迫性的重要性。相关论文以“Battery technology and recycling alone will not save the electric mobility transition from future cobalt shortages”为题发表在Nature Commun.


背景介绍

尽管可再生能源和低碳技术转型对于实现许多国家的“碳中和”目标和 COVID-19后的绿色复苏雄心是必不可少的,但此类转型需要各种类型和大量的关键材料(例如用于磁铁的稀土,用于催化剂的铂,用于电池的锂)。尤其是电池技术从根本上依赖于锂、钴和镍等关键材料,在可再生能源存储和汽车电气化中不可或缺。由于潜在的地缘政治供应风险和可再生能源转型的重要性,锂和钴都被美国、中国、欧盟、日本和澳大利亚等主要经济体视为关键材料。因此,了解对此类关键材料的需求并探索潜在供应需求的缓解策略对于确保绿色和低碳未来至关重要。解决此类供应风险的两个最广泛讨论的策略是电池技术的发展和回收的进步。事实上,随着钴价格的波动(例如,从2016年到2018年上涨了两倍)以及对刚果民主共和国钴开采的环境和社会担忧有所增加,近年来含钴甚至不含钴的电池被开发出来。当更多的电动汽车和电池达到使用寿命(EoL)时,通过回收提供二次钴对于补充一次供应至关重要。关于全球和国家钴材料流动、贸易联系、需求预测和回收潜力(主要是锂离子电池)的文献越来越多。然而,电池和回收技术的进步将在多大程度上缓解全球和区域钴的供需失衡,特别是考虑到世界不同地区的时空变化,仍然知之甚少。
图文解析

全球人为驱动的钴循环包括五个转化过程:采矿、精炼、制造、使用以及废物管理和回收(图 1)。研究结果表明,电池技术创新,尤其是无钴技术,可以明显缓解钴供应风险。面对昂贵的钴和地缘政治供应风险,许多电池生产商已经优先考虑降低锂离子电池中的钴含量并生产NMC811。然而,由于电动汽车市场的快速扩张和电池容量的增加,如果一次供应仅遵循公布的预定开采计划,未来钴短缺将不可避免。低钴电池正极技术的发展可以缓解但不能预防供应危机。尽管无钴LFP技术已在2020年进入市场,预计到2030年下一代无钴电池技术将实现商业化,但这种供需缺口仍将在2028-2033年左右出现。同时,LFP和即将推出的(Li-O2、Li-S和SSB)无钴技术仍可分别将钴累积需求减少62%和41%。通过技术创新延长电池寿命是缓解钴供应压力的又一有效措施。研究结果表明,将电池寿命延长一倍将使钴需求几乎减半。因此,电池技术对于缓解潜在的钴短缺至关重要,进一步加快各种脱钴电池技术,特别是无钴技术的研究和市场渗透。鉴于中短期(2028-2033 年)钴供应短缺,进一步加速新型磷酸铁锂电池技术可能是最有效的治疗方法。然而,由于LFP正极的低能量密度制约了其发展。

图1. 全球人为钴循环的系统定义和钴需求和二次供应潜力的建模框架钴回收是补充主要供应的重要策略。在各种情况下,二次钴的可用性不断增加,这表明在未来,特别是从长期来看,回收利用以缓解初级资源压力的潜力很大。首先,对目前回收率较低的产品进行进一步的回收技术开发,对于利用城市采矿日益增长的潜力至关重要,可以通过进一步开发和浸出再生湿法冶金的应用来缓解。其次,应进一步推广生产者责任延伸制度和再制造、再利用和回收设计,以促进制造商之间的闭环回收利用。第三,利用互联网+、综合物流网络、大数据平台等新兴信息技术,构建更好的社会收集和回收体系,减少EoL损失,将消费者与合格的回收商、物流公司、加工公司和生产商联系起来,促进线上和线下的互动。最后,应制定相关法规和行业标准,以吸引更多的回收行业投资,并为企业特别是中小企业提供政策支持,以确保在面临技术进步和不断增加的财务成本时确保回收可行。

图2. 1998-2019年全球和区域规模的历史钴库存和流动同时,初级供应对于确保未来钴供需平衡是必要且重要的,尤其是在中短期内。本文结果表明,迫切需要增加一次供应来弥补仅靠电池技术和回收进展无法完全填补的钴供需缺口。因此,加强钴矿勘探、利用先进开采技术实现深海开采、提高矿石开采、冶炼和精炼效率,都可以进一步增加一次供应。尽管一次供应很重要,但在增加一次钴供应方面仍然存在一些关键的不确定性和挑战。首先,钴矿生产在经济上容易受到短期价格波动和生产成本上升的影响。其次,从发现未发现矿床到开采第一块矿石通常需要十多年的时间,时间滞后使得中短期内难以解决全球和区域供需失衡的问题。第三,94%的钴生产伴随着铜或镍矿石作为副产品,因此钴与这两种金属的产量和价格波动密切相关。第四,由于特定钴矿的大量开采,钴的矿石质量下降不可避免,这将增加钴的生产成本(经济、社会和环境),并在一定程度上影响钴的生产。最后,钴的一次供应面临各种类型的地缘差别(例如生产国的内战和不稳定的政府体系)和供应链风险。

图3. 七种情景下的全球钴需求(正值)、废料产生量(负值)和总供应量(初级+次级)预计中国未来的钴消费量将比任何其他地区都多,这主要是由于其国内电动汽车市场的蓬勃发展和未来电池产能的扩大。2019 年,中国钴储量仅为80 kt,但占全球钴精炼产量的67%,这导致其对海外一次钴资源的依赖程度很高。尽管表明中国可以在最乐观的情况下确保其钴供需平衡,但其供应风险仍将相当高。因此,降低钴供应风险既需要保障钴进口渠道的多元化,也需要产业政策、城市采矿和电池技术创新的系统规划。欧盟和美国的钴供应安全水平相对较高。他们一方面通过外包电池生产将部分钴供应压力转移到中国和日本,另一方面将大部分海外钴矿生产控制在其矿业巨头手中。日本对钴的需求远低于其他地区,但由于国内钴储量和海外储量有限,导致日本的供应风险相对较高。在这方面,日本建立以氢气为中心,意味着在交通系统中使用燃料电池汽车(无钴汽车)而不是 BEV和PHEV,这可以明显降低对钴的依赖并减少潜在供应某种程度的短缺。

图4. 七种选定情景下的预期累计初级需求、国内和总储备以及相应的供应安全水平综述所述,本文主要研究了电池和回收技术进步在多大程度上可以缓解未来几十年全球和区域钴的供需失衡。首先,现有的电动汽车包括PEV和EB,而未明确考虑HEV、电动自行车和电动卡车。其次,电池寿命设置为PEV寿命的一半或相同;未来可以通过考虑电池健康状态和实时建模来进一步改进该指标。第三,除回收利用之外的EoL管理和循环经济策略,例如再制造和再利用以保持电网稳定或储能,未来需要进一步讨论。尽管如此,本文的结果仍然为全球和区域历史和未来钴循环利用的特征以及技术创新,在解决供需失衡中的作用提供了强有力的结论。中短期内不可避免的供应短缺需要多方利益相关者、技术和相关措施配合,并共同努力增加初级供应并促进技术创新,以确保未来的绿色转型。Battery technology and recycling alone will not save the electric mobility transition from future cobalt shortages,Nature Commun.,2022,https://www.nature.com/articles/s41467-022-29022-z




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4r151ks1ex 2022-3-31 00:38:51 显示全部楼层
写的真的很不错
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tfcpfeaobp 2022-3-31 00:39:01 显示全部楼层
赶快收藏!绝不吃灰!
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412i8z2j4f 2022-3-31 00:39:10 显示全部楼层
有竞争才有进步嘛
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ipzcrtxgut 2022-3-31 00:39:17 显示全部楼层
LZ真是人才
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n7d0sv4u80 2022-3-31 00:39:25 显示全部楼层
我只是挽尊的,貌似还不够十五字
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宗政2184 2022-3-31 00:39:47 显示全部楼层
我也来了
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o4prl2u7jc 2022-3-31 00:40:03 显示全部楼层
超级优秀啊
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eixulasebj 2022-3-31 00:40:03 显示全部楼层
感谢,学到啦!好适合我这种小白
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卢5445 2022-3-31 00:40:10 显示全部楼层
干货太多了,宝藏网站!
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