中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：2.7 電池的材料可用性問題
像許多先進(jìn)的能源技術(shù)一樣，電池是材料密集型的技術(shù)。電池需要采用特定的化學(xué)元素，有時(shí)難以獲得替代品。在許多情況下，這些元素的使用與技術(shù)的儲(chǔ)能容量成正比。
美國為了實(shí)現(xiàn)到2050年實(shí)現(xiàn)脫碳的目標(biāo)，電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)和電動(dòng)汽車應(yīng)用的電池規(guī)模必須迅速擴(kuò)大到非常高的水平。世界各國的類似努力將進(jìn)一步增加全球需求。預(yù)計(jì)這些趨勢將增加社會(huì)對(duì)某些關(guān)鍵化學(xué)元素的依賴，因此有必要評(píng)估其可用性，并了解其復(fù)雜且有時(shí)中斷的供應(yīng)鏈。例如，作為這份報(bào)告主題的美國電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)不太可能主導(dǎo)未來對(duì)鋰離子電池的需求，但仍會(huì)受到材料供應(yīng)的任何波動(dòng)或中斷的影響。在本節(jié)中，將探討材料可用性和供應(yīng)鏈如何影響電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。
臨界性是一種系統(tǒng)的緊急屬性，它源自多個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)的供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)（關(guān)鍵要素的有限可用性）和脆弱性（可能的供應(yīng)中斷的影響，這可能會(huì)影響企業(yè)或地緣政治實(shí)體的行為）。某種元素可能在地殼中本質(zhì)上是稀有的，在自然過程中儲(chǔ)量很低，或者主要在某個(gè)國家或少數(shù)一些國家開發(fā)和生產(chǎn)，這增加了材料供應(yīng)可能受到市場操縱或政治不穩(wěn)定影響的風(fēng)險(xiǎn)。在某些地方，元素的開采和生產(chǎn)可能會(huì)帶來不可接受的環(huán)境或社會(huì)成本。主要作為副產(chǎn)品生產(chǎn)的元素的可用性可能受到與其相關(guān)的主要產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性的限制。當(dāng)一種元素主要在海外生產(chǎn)時(shí)，可能在供應(yīng)方面將受限。給定材料的有效替代品的存在可以降低其對(duì)特定技術(shù)的重要性，也可以降低功能回收的可能性。一般來說，關(guān)鍵性不取決于材料供應(yīng)是否可能耗盡，而是取決于基于一系列因素的供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)是否被認(rèn)為過高，并將影響儲(chǔ)能技術(shù)的大規(guī)模部署。
在理想情況下，可以通過衡量電池技術(shù)采用對(duì)重大價(jià)格上漲或價(jià)格波動(dòng)的敏感性來量化風(fēng)險(xiǎn)。鑒于將材料可用性與價(jià)格聯(lián)系起來存在巨大的不確定性，研究團(tuán)隊(duì)并沒有預(yù)測不同電池的價(jià)格。與其相反，通過研究對(duì)可用性的限制和探索中斷對(duì)他們認(rèn)為的電化學(xué)技術(shù)至關(guān)重要的元素供應(yīng)的影響來關(guān)注與材料相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。以前的研究工作發(fā)現(xiàn)，材料成本可能會(huì)為電化學(xué)技術(shù)的成本設(shè)定下限。反過來，技術(shù)成本可能會(huì)限制任何給定的儲(chǔ)能技術(shù)在短期內(nèi)擴(kuò)展的能力。因此，了解可能影響技術(shù)成本的材料風(fēng)險(xiǎn)至關(guān)重要。
以下確定討論的電池儲(chǔ)能技術(shù)的潛在關(guān)鍵要素。繼續(xù)描述與材料供應(yīng)相關(guān)的基本指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)，在大規(guī)模部署的背景下考慮這些指標(biāo)，并將它們應(yīng)用于確定的關(guān)鍵要素，評(píng)論了本報(bào)告時(shí)間范圍內(nèi)回收的潛在作用（即從現(xiàn)在到2050年），最后描述了最關(guān)注的材料供應(yīng)問題。
2.7.1 電化學(xué)儲(chǔ)能的關(guān)鍵要素
對(duì)于這份報(bào)告關(guān)注的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)，關(guān)注的元素在于與儲(chǔ)能容量成比例的組件：正極、負(fù)極和電解質(zhì)。并不考慮電池外殼、互連和功率轉(zhuǎn)換電子設(shè)備所需的材料。一般來說，文章中當(dāng)提到“材料”時(shí)特指化學(xué)元素。然而，在某些情況下，必須以特定形式提供元素才能在電池中使用。例如，占鎳產(chǎn)量50%以上的鎳生鐵和鎳鐵目前不適合用于鋰離子電池的正極。因此， 在對(duì)電池級(jí)應(yīng)用的鎳可用性進(jìn)行詳細(xì)分析時(shí)，必須獨(dú)立考慮鎳的含量。而目前擁有的電池技術(shù)中使用的材料清單考慮的包括鋁、鈷、石墨（碳）、鐵、鉛、鋰、錳、鎳、磷、鈉、硫、釩和鋅。有幾個(gè)指標(biāo)可以初步了解這些材料的可用性限制。首先考慮給定元素的全局資源。對(duì)于某些要素而言，全球資源龐大且分布廣泛，因此很少擔(dān)心不能滿足需求，包括在未來很長一段時(shí)間內(nèi)以該報(bào)告設(shè)想的規(guī)模部署電池。鋁、石墨、鐵、鉛、錳、磷、鈉、硫和鋅屬于這一類。相比之下，從全球資源的角度來看，鈷、鋰、鎳和釩是電化學(xué)儲(chǔ)能的潛在關(guān)鍵元素。此外，僅全球資源基礎(chǔ)的規(guī)模是不夠的，難以保證給定元素的充足供應(yīng)，還必須考慮可以經(jīng)濟(jì)地提取多少元素以及消耗（或生產(chǎn)）多少元素，而兩者都會(huì)隨著時(shí)間而變化?！办o態(tài)耗竭指數(shù)”是儲(chǔ)量與年產(chǎn)量的比值。一般來說，這個(gè)數(shù)字的穩(wěn)定性表明，新的可開采儲(chǔ)量已經(jīng)隨著產(chǎn)量的變化而發(fā)展。
然而，隨著時(shí)間的推移而減少或增加，表明市場存在波動(dòng)的可能性。圖2.9繪制了幾個(gè)關(guān)鍵要素隨時(shí)間（以五年為增量）相對(duì)于最大生產(chǎn)國供應(yīng)比例的靜態(tài)消耗指數(shù)。它表明，與鋼（即錳、鎳）、鋅和鉛相關(guān)的元素的消耗指數(shù)在過去20年中一直相對(duì)穩(wěn)定（圖2.9a），而靜態(tài)消耗指數(shù)和鋰的供應(yīng)集中度、鈷和釩的揮發(fā)性更強(qiáng)（圖2.9b）。特別是，鈷的生產(chǎn)地點(diǎn)在地理上變得更加集中，鈷的靜態(tài)消耗指數(shù)隨著時(shí)間的推移而下降。
圖 2.9 電池原材料資源使用的靜態(tài)指標(biāo)
表2.3提供了有關(guān)當(dāng)前生產(chǎn)水平以及儲(chǔ)量和資源規(guī)模估計(jì)以及儲(chǔ)量與產(chǎn)量和資源與產(chǎn)量比率的更詳細(xì)信息。鋰和釩的這些比率明顯大于鈷和鎳，這表明前兩種元素的供應(yīng)可能比后兩種元素的供應(yīng)受到的限制更少。來自歷史實(shí)例和模型的證據(jù)表明，隨著生產(chǎn)從已證實(shí)的儲(chǔ)備轉(zhuǎn)移到目前開采經(jīng)濟(jì)或不經(jīng)濟(jì)的原材料資源，價(jià)格可能會(huì)顯著上漲。
表2.3 20204年鋰、鈷、鎳和釩的全球年產(chǎn)量、世界儲(chǔ)量和資源量
評(píng)估材料可用性風(fēng)險(xiǎn)的另一個(gè)相關(guān)指標(biāo)是地緣政治供應(yīng)集中度。對(duì)于考慮的這組元素，研究團(tuán)隊(duì)使用赫芬達(dá)爾-赫希曼指數(shù)(HHI)估計(jì)地緣政治供應(yīng)集中度。 另一個(gè)相關(guān)指標(biāo)是一種材料是作為主要產(chǎn)品還是作為副產(chǎn)品開采的，意味著它是在提取另一種材料的過程中開采和生產(chǎn)的。作為副產(chǎn)品材料的一個(gè)潛在含義是，價(jià)格上漲對(duì)供應(yīng)幾乎沒有影響，因?yàn)楣?yīng)受載體金屬的市場動(dòng)態(tài)支配。此外，圍繞副產(chǎn)品儲(chǔ)量和資源的數(shù)據(jù)可能不太具有指示性，因?yàn)殚_發(fā)該元素的完整清單的動(dòng)力可能較小。在這項(xiàng)研究感興趣的元素中，鋰和鎳主要作為主要產(chǎn)品開采，而鈷和釩可能作為與另一種載體金屬相關(guān)的副產(chǎn)品開采，盡管副產(chǎn)品的比例會(huì)因礦床而異。
基于這一初步評(píng)估，研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)與這項(xiàng)研究的相關(guān)性進(jìn)一步調(diào)查了幾種材料。其中包括鋰、鈷和鎳，因?yàn)樗鼈兣c鋰離子電池相關(guān)，鋰離子電池是安裝最廣泛的電池儲(chǔ)能技術(shù)。還包括釩，因?yàn)樗亲顝V泛部署的液流電池的技術(shù)基礎(chǔ)。考慮到不同電池化學(xué)成分的“材料強(qiáng)度”，在潛在需求的背景下評(píng)估這些材料。最后，鑒于目前對(duì)磷酸鐵鋰(LFP)電池的興趣，對(duì)磷進(jìn)行了評(píng)論，盡管全球磷資源非常豐富。
2.7.2 將篩選金屬的供需聯(lián)系起來
（1）技術(shù)材料強(qiáng)度
材料強(qiáng)度對(duì)于電池來說是為所需物質(zhì)的質(zhì)量儲(chǔ)存一定量的能量，而這是衡量任何技術(shù)材料要求的基本指標(biāo)。材料隨著技術(shù)的成熟，強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化，這是在研究分析中必須考慮的一個(gè)因素。
電極用“NMC-xyz”表示，其中“xyz”給出的數(shù)字分別代表鎳、錳和鈷的相對(duì)摩爾分?jǐn)?shù)。NMC-111屬于鎳錳鈷氧化物(NMC)電池化學(xué)成分，其中包含鈷、鎳、鋁和錳的組合。
在鋰離子電池的情況下，負(fù)極通常是石墨和電解質(zhì)通常是含有鋰鹽的有機(jī)液體。研究團(tuán)隊(duì)專注于正極，它通常由LiMO2族中的層狀氧化物組成（其中M代表過渡金屬和其他金屬）。本文重點(diǎn)介紹目前廣泛使用的鋰離子正極，NMC-622是近年來出現(xiàn)的，NMC-811出現(xiàn)在鋰離子電池的發(fā)展路線圖中。為了適應(yīng)這些比率的演變，表2.4提供了所有這三種NMC電池配方的三種受限元素（鋰、鈷和鎳）的材料強(qiáng)度估計(jì)值。
表2.4 材料強(qiáng)度
表2.5美國到2050年部署100TWh鋰離子電池所需材料的產(chǎn)量
與鋰離子電池相比，釩氧化還原液流電池材料強(qiáng)度（目前約為3.40kg/kWh）預(yù)計(jì)將相對(duì)穩(wěn)定。隨著時(shí)間的推移，研究團(tuán)隊(duì)探討了這些材料強(qiáng)度對(duì)部署的影響。
美國可能需要部署100TWh儲(chǔ)能系統(tǒng)，使該國電力部門到2050年實(shí)現(xiàn)完全脫碳的目標(biāo)。
電池儲(chǔ)能系統(tǒng)將提供多少儲(chǔ)能容量尚不確定，鑒于不同儲(chǔ)能技術(shù)之間可能存在的競爭以及其他因素，例如使可再生能源供需匹配的挑戰(zhàn)、輸電網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的成功擴(kuò)展以及儲(chǔ)能系統(tǒng)成本的變化。預(yù)計(jì)對(duì)基于電網(wǎng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)的大量額外需求將來自海外，并且在更大程度上來自電動(dòng)汽車中的電池?？傊?，這份報(bào)告得出的結(jié)論是，估計(jì)美國到2050年累計(jì)部署100TWh儲(chǔ)能系統(tǒng)的目標(biāo)值是合理的。
隨著需求的預(yù)期增長，鈷開采和加工的這種地域集中在短期內(nèi)會(huì)產(chǎn)生供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)。從收入的角度來看，另一個(gè)挑戰(zhàn)是鈷提取的性質(zhì)。鈷作為鎳和銅提取的副產(chǎn)品被開采，這意味著鈷價(jià)格上漲并不一定會(huì)推動(dòng)供應(yīng)增加。根據(jù)一些調(diào)查，到2030年，全球?qū)︹挼男枨髮⒊^目前的精煉能力的300%以上。
如果美國在未來30年（即到2050年）對(duì)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的需求接近100TWh，那么不能只依賴于鈷為主的電池。預(yù)計(jì)未來鈷的來源將在地理上變得更加多樣化，并且在未來十年中，鈷將更經(jīng)常地作為鎳的副產(chǎn)品被開采。然而，為了滿足未來的需求，需要持續(xù)投資來開發(fā)精煉鈷的供應(yīng)和二次回收方法。
研究團(tuán)隊(duì)需要了解的問題是，是否可以獲得足夠數(shù)量的鋰、鈷、鎳或釩來創(chuàng)建和部署電網(wǎng)規(guī)模的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)?；卮疬@個(gè)問題的一種傳統(tǒng)方法是計(jì)算在目前的生產(chǎn)速度下，需要多少年才能提供足夠的元素來制造足夠的電池（例如100TWh）。這個(gè)數(shù)量很容易從表2.4中的材料強(qiáng)度數(shù)據(jù)和表2.3中的生產(chǎn)數(shù)據(jù)中計(jì)算出來。因此，表2.5中給出鋰離子電池具有不同的NMC組成比。
然而，需要注意的是，這種方法無法考慮到由于缺乏需求而不是其他因素，目前的材料產(chǎn)量相對(duì)于資源規(guī)?？赡芎苄。虼宋磥淼漠a(chǎn)量可能會(huì)增加因需求增加而大幅上漲。
評(píng)估材料供應(yīng)限制的另一種更靈活和動(dòng)態(tài)的方法是計(jì)算滿足需求所需的生產(chǎn)復(fù)合年增長率(CAGR) 。對(duì)于不同的電池，假設(shè)2050年的能量容量目標(biāo)是給定的。圖2.10～圖2.13顯示了鋰、鈷、鎳和釩的復(fù)合年增長率(CAGR)到2050年達(dá)到綜合部署的指定目標(biāo)。假設(shè)生產(chǎn)開始于2020年并以恒定的復(fù)合年增長率增長。這些圖表簡單地顯示了可變電池成分（對(duì)于鋰離子電池）的影響以及與其他應(yīng)用的競爭。例如，在圖2.10中，不同顏色的條帶用于顯示所需的復(fù)合年增長率如何隨著關(guān)于用于電池生產(chǎn)的新產(chǎn)品比例的不同假設(shè)而變化（假設(shè)為常數(shù)，例如25%、50%和100%）。鋰離子組件元素的彩色條帶的寬度顯示所需的產(chǎn)量增長如何取決于NMC成分的不同選擇，假設(shè)鎳、錳和鈷的比例范圍為6:2:2至8:1:1。圖表上的垂直條給出了估計(jì)的全球總資源（基于2020年的估計(jì)）施加的能量容量限制，假設(shè)100%的元素專用于電池生產(chǎn)。最后，圖表左軸的直方圖給出了1970年至2020年之間的數(shù)量，在此期間，相關(guān)元素的平均復(fù)合年增長率(CAGR)對(duì)應(yīng)于值在縱軸上。對(duì)這些數(shù)字的仔細(xì)研究揭示了有多么顯著（也許不切實(shí)際）鋰、鈷、鎳和釩的產(chǎn)量必須增長，以支持電化學(xué)儲(chǔ)能容量的部署，例如到2050年達(dá)到100TWh。
圖2.10 到2050年鋰離子的部署的復(fù)合年增長率(CAGR)
在此處包含的元素中，在可能對(duì)10～100TWh左右的電池部署中，鋰具有最樂觀的供應(yīng)前景。鋰的生產(chǎn)主要針對(duì)電池（2020年鋰產(chǎn)量的71%）；近年來鋰產(chǎn)量快速增長，對(duì)全球資源的估計(jì)也急劇增加，從2010年的3300萬噸增加到2020年的8600萬噸。所有這些發(fā)展都有利于未來鋰生產(chǎn)的快速擴(kuò)張。鈷的生產(chǎn)情況如圖2.11所示。如果NMC-622是主要的鋰離子電池化學(xué)成分，則資源限制剛好超過支持100TWh部署所需的資源限制。如果使用所有新開采的鈷，產(chǎn)量需要以略高于10%的復(fù)合年增長率增長，遠(yuǎn)高于歷史平均水平，以滿足到2050年部署100TWh的相關(guān)需求。然而與鋰相比，美國消耗的鈷幾乎有一半用于高性能合金，這一應(yīng)用可能不會(huì)輕易被電池需求取代。近年來，鈷產(chǎn)量適度增長（從2010年的8.8萬噸到2020年的14萬噸），估計(jì)全球資源量（從2010年的15噸到2020年的25噸，不包括海底礦床）也是如此。但鈷的生產(chǎn)高度集中在剛果（2020年占世界鈷產(chǎn)量的70%），并且主要作為銅或鎳生產(chǎn)的副產(chǎn)品生產(chǎn)。
圖2.11 到2050年鋰離子部署的鈷復(fù)合年增長率(CAGR)
由于這些原因，研究團(tuán)隊(duì)將鈷視為NMC鋰離子電池部署的一個(gè)關(guān)注元素。
對(duì)于鎳，圖2.12表明生產(chǎn)的復(fù)合年增長率在3.9%（對(duì)于具有NMC-622成分的鋰離子電池）和4.4%（對(duì)于具有NMC-811成分的鋰離子電池），持續(xù)了30年（即從2020年到2050年），如果增加的鎳產(chǎn)量100%用于電池生產(chǎn)。與其相反，如果50%或25%的新生產(chǎn)鎳用于鋰離子電池，則NMC-622或NMC-811所需的復(fù)合年增長率將躍升至6.2%～6.7%或6.7%～8.8%。左側(cè)直方圖顯示了鎳生產(chǎn)20年平均復(fù)合年增長率的歷史數(shù)據(jù)；它顯示了5%的歷史最高復(fù)合年增長率。因此，例如，如果25%的鎳生產(chǎn)用于具有NMC-811成分的鋰離子電池，則所需的9.5%的復(fù)合年增長率將超過過去50年觀察到的最高20年復(fù)合年增長率約兩倍。目前鎳的主要用途是生產(chǎn)不銹鋼和其他高性能鋼合金（約占國內(nèi)產(chǎn)量的85%），因此不太可能在鎳生產(chǎn)的一小部分可以迅速轉(zhuǎn)向電池部署。鎳的生產(chǎn)顯示了過去50年中最低且變化最小的復(fù)合年增長率（圖2.12）。2010年至2019年間，世界鎳資源的生產(chǎn)量穩(wěn)定在130噸，其中鎳含量超過1%。全球資源庫存在2020年躍升至300噸——主要是因?yàn)槟壳暗墓烙?jì)包括鎳含量低至0.5%的礦石，基于以下事實(shí)：從質(zhì)量較差的礦石中經(jīng)濟(jì)地提取鎳現(xiàn)在被認(rèn)為是可行的。鎳廣泛分布于世界各地，這表明政治供應(yīng)中斷的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小。
圖2.12 到2050年鋰離子部署的鎳復(fù)合年增長率(CAGR)
到2050年部署釩氧化還原液流電池(VRFB)的目標(biāo)值，如圖2.13所示。在圖中在1～10TWh范圍內(nèi)，這低于鋰離子電池的部署目標(biāo)。鈮可能會(huì)替代目前在鋼合金中使用的釩，這將使專門用于釩氧化還原液流電池（VRFB）的釩產(chǎn)量比例擴(kuò)大。盡管過去50年的產(chǎn)量有所波動(dòng)，但過去10年全球釩資源的估計(jì)值一直穩(wěn)定在每年63噸左右，顯示出比此處考慮的其他元素更大的歷史復(fù)合年增長率（圖2.13）。因?yàn)殁C幾乎總是作為副產(chǎn)品生產(chǎn)，釩的生產(chǎn)可能會(huì)受到前面提到的經(jīng)濟(jì)限制。此外，引用的釩資源可能會(huì)低估可用供應(yīng)量。盡管資源限制似乎會(huì)阻止釩氧化還原液流電池（VRFB）部署超過數(shù)十太瓦時(shí)的儲(chǔ)能容量，但資源和觀察到的鎳復(fù)合年增長率(CAGR)似乎會(huì)阻止部署在范圍內(nèi)的1～10TWh范圍內(nèi)。鑒于釩生產(chǎn)的分散性以及釩目前作為副產(chǎn)品生產(chǎn)的事實(shí)，研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為它是鎳復(fù)合年增長率(CAGR)部署的一個(gè)關(guān)注因素。
關(guān)鍵性框架從三個(gè)維度量化材料可用性：中長期供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)、環(huán)境影響以及供應(yīng)限制脆弱性。與特定產(chǎn)區(qū)相關(guān)的政治和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)包含在供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)中，其中包括地緣政治穩(wěn)定性以及社會(huì)和監(jiān)管指數(shù)等因素。世界銀行編目的全球治理指標(biāo)包括六個(gè)治理維度，包括問責(zé)制、無暴力、政府有效性、監(jiān)管質(zhì)量、法治、腐敗控制。在2019年，全球72%的鈷來自剛果民主共和國。相比之下，印度尼西亞占2019年鎳提取量的33%。
與鋰、鈷、鎳和釩相比，研究團(tuán)隊(duì)還對(duì)新興電池儲(chǔ)能技術(shù)中的三個(gè)關(guān)鍵元素（鐵、硫和鋅）進(jìn)行了復(fù)合年增長率分析。
這些技術(shù)包括磷酸鐵鋰電池（LFP）、鐵-空氣、鋅-空氣、鋰硫電池、鈉硫電池和硫空氣液流電池。與鐵-空氣電池相比，磷酸鐵鋰電池中鐵的材料強(qiáng)度要低6倍。但無論哪種情況，目前全球鐵的產(chǎn)量很高。
到2050年達(dá)到100TWh部署儲(chǔ)能系統(tǒng)所需的生產(chǎn)復(fù)合年增長率低于1%。鈉的材料強(qiáng)度同樣因技術(shù)而異（從鋰硫電池的28萬噸/TWh到高溫鈉硫電池的90萬噸/TWh，到硫空氣液流電池的3,200萬噸/TWh），但相應(yīng)的復(fù)合年增長率保持在1%～2%以內(nèi)。另一方面，鋅的限制僅略低于鎳：如果100%的新鋅產(chǎn)量用于鋅空氣電池，到2050年達(dá)到100TWh部署容量的復(fù)合年增長率約為10%。
本章的其余部分將探討回收利用對(duì)關(guān)鍵材料的影響可用性，并提供有關(guān)這三個(gè)關(guān)鍵元素（即鈷、鎳和釩）的更多詳細(xì)信息，并簡要描述了磷的供應(yīng)問題，因?yàn)楣_文獻(xiàn)中一直在討論該元素在一段時(shí)間內(nèi)的可用性。
2.7.3 電池回收的潛在影響
回收和再利用在多大程度上可以改善未來幾十年大規(guī)模電池部署的材料需求和潛在供應(yīng)限制，這是一個(gè)未知數(shù)?；谖镔|(zhì)流建模，在電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)需求呈指數(shù)增長的背景下，電網(wǎng)規(guī)模的電池的回收不太可能顯著緩解對(duì)關(guān)鍵材料的需求。同樣，由于電動(dòng)汽車電池需要使用一一段時(shí)間才能退役，因此在2040年之前，回收和再利用電動(dòng)汽車電池用于電網(wǎng)應(yīng)用不太可能對(duì)電網(wǎng)規(guī)模鋰離子電池部署的材料可用性限制產(chǎn)生重大影響，即使在電動(dòng)汽車高增長的情景。在部署趨于平穩(wěn)之后，電池回收措施在本世紀(jì)下半葉可能變得更加重要，但該時(shí)間框架在很大程度上超出了這份報(bào)告的分析窗口。
從大約2040年開始，不同的再利用途徑可以顯著降低電網(wǎng)規(guī)模電池部署的關(guān)鍵材料風(fēng)險(xiǎn)。電動(dòng)汽車中達(dá)到其使用壽命的電池原則上可以改裝用于電網(wǎng)規(guī)模的儲(chǔ)能應(yīng)用，這些應(yīng)用可以適應(yīng)比電動(dòng)汽車應(yīng)用中可接受的更低的效率和可能更低的可靠性。由于電動(dòng)汽車中的電池部署預(yù)計(jì)將顯著超過電網(wǎng)應(yīng)用的部署，因此重復(fù)使用電動(dòng)汽車電池可以滿足電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能部署的很大一部分需求。
由于分析這些權(quán)衡涉及許多挑戰(zhàn)，回收和再利用的成本效益權(quán)衡仍不清楚。制定電池回收策略本身就具有挑戰(zhàn)性，無論最終目標(biāo)是再利用還是回收。電池回收的挑戰(zhàn)源于缺乏信息（特別是關(guān)于評(píng)估和管理處于各種“健康狀態(tài)”的電池），以及需要標(biāo)準(zhǔn)化以安全有效地通過回收系統(tǒng)處理電池，以便責(zé)任和責(zé)任問題得到解決。明確且始終如一的處理。例如，由于相關(guān)的安全隱患，運(yùn)輸電池的成本很高。新興技術(shù)的發(fā)展可能允許在監(jiān)管鏈的早期更有效地監(jiān)控電池組的健康狀況，以確定電池組是否應(yīng)該重復(fù)使用或重新利用。其他與政策相關(guān)的討論涉及擴(kuò)大生產(chǎn)者對(duì)收集和運(yùn)輸電池到再利用商或回收商的成本的責(zé)任。
電動(dòng)汽車采用的電池的性能差異很大，未來將如何發(fā)展存在不確定性，包括電池化學(xué)成分、外形尺寸、電池組內(nèi)的電池配置和電池組連接工藝——所有這些都會(huì)影響電動(dòng)汽車電池在電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用。如果電池制造供應(yīng)鏈沒有更大程度的標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)成本效益回收的障礙將是巨大的。
因此，與其他形式的回收相比，功能再利用的技術(shù)要求和經(jīng)濟(jì)性應(yīng)該進(jìn)行研究，以期在2040年后的時(shí)間框架內(nèi)需要管理大量報(bào)廢電動(dòng)汽車電池。美國現(xiàn)有電池回收和再利用市場的有限狀態(tài)凸顯了明確分析的必要性。目前，許多退役電池被運(yùn)往具有更發(fā)達(dá)市場的地區(qū)，用于電池回收和再利用電池以用于電網(wǎng)服務(wù)。
2.7.4 有關(guān)材料的詳細(xì)信息
本節(jié)提供了有關(guān)鈷、鎳和釩（前幾節(jié)中確定的三種關(guān)注材料）供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)的更多詳細(xì)信息，并提供了對(duì)磷供應(yīng)的一些觀察。即使是元素形式，美國在這些元素的供應(yīng)中也有很大一部分依賴進(jìn)口：鈷占76%，鎳占50%，釩占96%。美國制造業(yè)的供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)取決于國外供應(yīng)中斷的可能性、承受此類中斷的能力以及制造商對(duì)外國供應(yīng)的依賴。在確定的三個(gè)關(guān)鍵元素中，鈷的供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)最大，其次是釩和鎳。
（1）鈷
世界上鈷的主要供應(yīng)地在地理上高度集中，大約70%的鈷是在剛果民主共和國。 對(duì)于綜合硫化物生產(chǎn)商而言，冶煉硫化物精礦以生產(chǎn)銅需要對(duì)新的硫化物發(fā)現(xiàn)進(jìn)行投資（這些發(fā)現(xiàn)本身有很長的發(fā)展軌跡）。從紅土礦石中濕法冶金回收鎳或作為硫酸鹽的附加物是有潛力的，但經(jīng)濟(jì)性具有挑戰(zhàn)性。如果需求增加導(dǎo)致鈷價(jià)格上漲，那么來自鈷和鈷副產(chǎn)品的收入流可能會(huì)抵消礦山的運(yùn)營成本。從鎳生鐵來源獲得電池級(jí)鎳的顛覆性替代方案也存在潛力。
（2）釩
地殼中釩的儲(chǔ)量普遍較高，目前的產(chǎn)量遠(yuǎn)低于已知資源。基于其3.40kg/kWh的材料強(qiáng)度（對(duì)于VRFB），其儲(chǔ)量也超過了潛在的供應(yīng)需求。
然而，其挑戰(zhàn)在于釩是分散的并以多種不同的形式存在。此外，大量工業(yè)和燃燒廢物含有釩，包括煤灰和爐渣。釩的回收利用并不經(jīng)濟(jì)，釩作為副產(chǎn)品僅用于少數(shù)用途（以釩鐵為主），并且僅在少數(shù)幾個(gè)國家（包括中國、南非和俄羅斯）生產(chǎn)。因此，需要大量努力來擴(kuò)大生產(chǎn)更多釩所需的技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施。在釩的回收和精煉方面付出了巨大的努力；此外，電化學(xué)儲(chǔ)能應(yīng)用所需釩的質(zhì)量和純度與冶金級(jí)釩沒有顯著差異。一旦需求和興趣足夠高，在研究團(tuán)隊(duì)相信物理資源的可用性和技術(shù)流程可以允許大規(guī)模獲取釩。但目前的產(chǎn)量很低，因此支持大規(guī)模部署所需的復(fù)合年增長率將具有挑戰(zhàn)性。
（3）磷
雖然研究團(tuán)隊(duì)沒有對(duì)磷進(jìn)行詳細(xì)的材料分析，但這種元素值得進(jìn)一步評(píng)論。
鑒于磷在磷酸鐵鋰（LFP化）電池中的潛在應(yīng)用，全球磷酸鹽在儲(chǔ)量方面不會(huì)枯竭。假設(shè)磷酸鐵鋰電池的材料強(qiáng)度為0.38kg/kWh，一年的全球磷產(chǎn)量可支持50TWh的磷酸鐵鋰電池容量。目前，磷的主要用途是化肥，而這種用途仍將占主導(dǎo)地位。然而，人們擔(dān)心用于化肥生產(chǎn)的磷的區(qū)域供應(yīng)情況，這可能導(dǎo)致糧食安全問題，特別是在人口眾多的地區(qū)依賴少數(shù)富磷生產(chǎn)國的國家（如印度和巴西）。其供應(yīng)相當(dāng)集中，并且隨著時(shí)間的推移可能會(huì)變得更加集中；目前，85%的儲(chǔ)量分布在五個(gè)國家：摩洛哥、中國、阿爾及利亞、敘利亞和南非（摩洛哥的儲(chǔ)量最大）。磷元素釋放到環(huán)境中也存在重大的環(huán)境問題，這可能導(dǎo)致土地應(yīng)用引起的直接營養(yǎng)化、匯集積累的長期釋放以及氮磷-碳平衡的變化。
2.7.5 材料分析的見解
在此次研究中考慮的較高部署率下，生產(chǎn)所需的增加鈷、鎳、鋰和釩等關(guān)鍵電池元素的增長率等于或超過歷史最高增長率。這意味著在現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施之外擴(kuò)大開采、選礦和精煉設(shè)施。這也意味著額外的供應(yīng)鏈轉(zhuǎn)變。例如，預(yù)計(jì)未來十年將有更多鈷來自鎳資源。對(duì)于鋰，直接提取等其他途徑可能會(huì)變得具有成本競爭力。
在呈指數(shù)增長的部署軌跡的背景下，回收不會(huì)顯著地改善材料的供應(yīng)限制。然而，從大約2040年開始，通過回收或重新利用來管理電動(dòng)汽車二次電池的戰(zhàn)略勢在必行。雖然由于涉及的復(fù)雜性，回收和再利用的成本效益權(quán)衡仍然很不清楚，但現(xiàn)在開始解決這些問題很重要。特別是，美國必須確定是否希望在電池制造、回收或再利用方面培育具有競爭力的國內(nèi)產(chǎn)業(yè)。
最后，快速擴(kuò)大到這項(xiàng)研究中考慮的高水平儲(chǔ)能部署將需要對(duì)電池技術(shù)的資源提取進(jìn)行更有效的管理，包括更有效地努力解決采礦和選礦對(duì)環(huán)境和社會(huì)的影響。
2.8 結(jié)論和要點(diǎn)
本章考慮目前處于技術(shù)成熟度(TRL)或更高級(jí)別的閉環(huán)的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)。研究團(tuán)隊(duì)評(píng)估了技術(shù)優(yōu)勢和劣勢、成本和性能指標(biāo)以及未來開發(fā)不同類別的可充電電池的機(jī)會(huì)，這些電池具有巨大的電網(wǎng)儲(chǔ)能潛力。研究團(tuán)隊(duì)還考慮了可能影響支撐許多這些技術(shù)的元素的成本和可用性的材料資源限制。盡管很重要，但并未詳細(xì)考慮供應(yīng)鏈、制造和電池回收或報(bào)廢處置方面可能出現(xiàn)的創(chuàng)新。本節(jié)的其余部分總結(jié)了本章關(guān)于電化學(xué)存儲(chǔ)技術(shù)的主要內(nèi)容，對(duì)于研究團(tuán)隊(duì)考慮的四種特定類別的電池（即鋰離子電池、氧化還原液流電池、金屬-空氣和其他封閉結(jié)構(gòu)的電池）和材料可用性。
（1）電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)
?與熱儲(chǔ)能或機(jī)械儲(chǔ)能技術(shù)相比，電化學(xué)技術(shù)具有高能量密度，只有化學(xué)儲(chǔ)能才能超越。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)通常為給定區(qū)域提供更多電力，面臨更少的選址限制，其設(shè)計(jì)更簡單，并且可以在較小的規(guī)模（kW到MW）上達(dá)到同等的規(guī)模經(jīng)濟(jì)。
?由于能量密度、功率密度和效率的良好組合，鋰離子電池非常適合短時(shí)電網(wǎng)儲(chǔ)能應(yīng)用。然而，其他電池化學(xué)成分（例如液流電池或金屬-空氣電池）本質(zhì)上具有較低的材料成本，并允許更靈活地調(diào)整能量與功率，這使得它們對(duì)新興的長時(shí)儲(chǔ)能應(yīng)用越來越有吸引力。
?鋰離子電池的制造模式已經(jīng)成熟，現(xiàn)在的發(fā)展速度比過去二十年放緩。不太成熟的電池化學(xué)成分（例如液流電池或金屬-空氣電池）的制造方法還沒有發(fā)展成熟，但有可能實(shí)現(xiàn)顯著降低的成本。
?鋰離子電池的發(fā)展已經(jīng)并將繼續(xù)受益于該技術(shù)在電動(dòng)汽車和移動(dòng)設(shè)備中的廣泛應(yīng)用，以及 就像在固定儲(chǔ)能系統(tǒng)中一樣。 這項(xiàng)研究中考慮的電池儲(chǔ)能技術(shù)不太多樣化，這可能會(huì)導(dǎo)致技術(shù)學(xué)習(xí)曲線變慢。
?世界各國快速部署電池，主要用于電動(dòng)汽車，其次是用于電網(wǎng)規(guī)模的儲(chǔ)能系統(tǒng)，這將需要以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過歷史平均水平的速度增加某些關(guān)鍵電池元件的產(chǎn)量。擴(kuò)大這些關(guān)鍵元素的生產(chǎn)規(guī)模的限制已經(jīng)存在，并且可能會(huì)持續(xù)存在，這將對(duì)技術(shù)開發(fā)路徑產(chǎn)生影響。
對(duì)于這項(xiàng)研究中考慮的任何電池技術(shù)，都存在很大的成本差異用于部署電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)。研究團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)將具有持續(xù)的成本優(yōu)勢。
（2）鋰離子電池
?鋰離子電池在能量密度、功率密度和往返效率方面表現(xiàn)出色。之間 目前可大規(guī)模部署的電化學(xué)技術(shù)，鋰離子電池可提供最高的能量和功率輸出。
?便攜式電子產(chǎn)品和電動(dòng)汽車應(yīng)用歷來推動(dòng)鋰離子電池的增長和部署。然而，與電網(wǎng)規(guī)模的儲(chǔ)能相比，這些應(yīng)用需要更小的系統(tǒng)、更低的壽命要求和更高的成本容忍度。盡管如此，作為一項(xiàng)現(xiàn)有技術(shù)，在過去十年中，鋰離子在電網(wǎng)存儲(chǔ)應(yīng)用中的部署比任何其他電池技術(shù)都更廣泛（盡管電力部門的電池總裝機(jī)容量仍不到抽水蓄能裝置的1%）。.
?盡管電池組件的成本（包括最重要的活性電極材料的成本）為鋰離子成本設(shè)定了底線，但鋰離子電池繼續(xù)向需要較低濃度資源受限元素的化學(xué)物質(zhì)發(fā)展，例如如鈷和鎳，或完全避免使用這些元素。此外，電網(wǎng)儲(chǔ)能應(yīng)用對(duì)能量密度不太敏感這一事實(shí)促進(jìn)了使用更多地球豐富元素（如錳、鐵、磷、硅和硫）的電池產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用。因此，對(duì)于所有應(yīng)用，鋰離子電池的成本預(yù)計(jì)將會(huì)繼續(xù)下降，而鋰將成為成本和供應(yīng)方面的限制因素。
?鋰離子電池的循環(huán)壽命和日歷壽命正在改善，但目前太低，無法為某些電網(wǎng)應(yīng)用提供可接受的投資回報(bào)。該技術(shù)在放電持續(xù)時(shí)間更長、頻率更低和難以預(yù)測的應(yīng)用中仍然面臨挑戰(zhàn)。
?液流電池將功率和能量進(jìn)行解耦，在擴(kuò)展到更大的系統(tǒng)和更長的持續(xù)時(shí)間方面具有優(yōu)勢。雖然這種形式的化學(xué)成分范圍很廣，但釩液流電池代表了最先進(jìn)的技術(shù)，因?yàn)樗鼈兙哂邢鄬?duì)較高的能量密度、較低的維護(hù)成本和較長的使用壽命。釩液流電池占迄今為止安裝的大部分液流電池，但部署規(guī)模受到釩成本上漲的挑戰(zhàn)。這種液流電池的作用最終可能會(huì)受到釩的成本和可用性的限制。
?目前，液流電池領(lǐng)域正在探索除釩以外的許多化學(xué)物質(zhì)，特別是那些利用由低成本和高豐度前體制成的活性物質(zhì)的化學(xué)物質(zhì)。這樣的系統(tǒng)可能對(duì)顯著降低系統(tǒng)成本至關(guān)重要，從而促進(jìn)液流電池的更廣泛部署。然而，迄今為止，尚未確定原型系統(tǒng)（即那些能夠滿足成本和性能指標(biāo)同時(shí)實(shí)際可運(yùn)行20多年的儲(chǔ)能系統(tǒng)）。
?如今，液流電池仍然是一種新興技術(shù)。加強(qiáng)創(chuàng)新渠道以加速從發(fā)現(xiàn)科學(xué)到供應(yīng)鏈和制造開發(fā)到示范的進(jìn)程，同時(shí)利用技術(shù)進(jìn)步和從相鄰領(lǐng)域（例如聚合物電解質(zhì)燃料電池、鋰離子電池）汲取的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，可以快速改進(jìn)性能和隨之而來的成本降低。
（3）金屬-空氣電池
?用于電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的金屬-空氣電池基于地球上豐富的金屬，如鋅、鐵和鋁，并使用水性電解質(zhì)。因此，材料成本和相關(guān)的系統(tǒng)級(jí)能源成本很低。然而，金屬-空氣電池通常比鋰離子電池和液流電池具有更高的電力成本和更低的往返效率。這些特性使金屬-空氣電池對(duì)涉及長放電周期和不經(jīng)常使用的應(yīng)用具有吸引力。
?提高金屬-空氣電池性能和降低成本的途徑包括空氣電極性能和成本的進(jìn)步，以及使用低成本金屬電極的能力。在這些系統(tǒng)中，鋅-空氣電池是最成熟的電池，而鐵-空氣電池正在引起新的興趣。與大多數(shù)電池技術(shù)一樣，金屬-空氣電池在公用事業(yè)規(guī)模中的耐用性尚未得到證明。
（4）其他電池
?鉛酸電池和鈉硫電池都在很大程度上被鋰離子電池取代。鉛酸電池的安裝成本與鋰離子電池相似，但循環(huán)壽命和日歷壽命比鋰離子電池要短。鉛酸電池確實(shí)提供了成熟完善的回收基礎(chǔ)設(shè)施的好處。鉛酸電池的主要改進(jìn)將是在更大的放電深度上增加循環(huán)壽命。高溫鈉硫電池面臨的主要挑戰(zhàn)是與鋰離子電池以及考慮電網(wǎng)規(guī)模的大多數(shù)其他電池相比，它們的成本更高。
（5）材料可用性
?按照電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)和電動(dòng)汽車的預(yù)期部署速度，鈷、鎳、鋰和釩等關(guān)鍵電池元素的生產(chǎn)必須以等于或超過歷史增長率的速度增長。用于提供儲(chǔ)能系統(tǒng)的電池的材料可用性將受到電動(dòng)汽車對(duì)在這兩種應(yīng)用中具有競爭力的電池的需求的影響。這意味著必須擴(kuò)大當(dāng)前的提取、選礦和精煉基礎(chǔ)設(shè)施，以及供應(yīng)鏈的轉(zhuǎn)變。例如，預(yù)計(jì)未來將有更多鈷來自鎳礦。對(duì)于鋰，其他提取途徑可能具有成本競爭力。
?回收用于電網(wǎng)規(guī)模的儲(chǔ)能系統(tǒng)的電池不會(huì)顯著緩解材料供應(yīng)任何指數(shù)增長的部署軌跡的限制。然而，在接下來的十年，包括回收在內(nèi)的電動(dòng)汽車電池的報(bào)廢管理策略將很快變得必要——不僅是為了維護(hù)和重新部署儲(chǔ)能技術(shù)，而且也是為了滿足隨著從主要來源開始趨于平穩(wěn)。
?需要開發(fā)釩資源，以便能夠在電網(wǎng)應(yīng)用中以與鋰離子電池相當(dāng)?shù)囊?guī)模部署釩液流電池。對(duì)未來大規(guī)模使用這項(xiàng)技術(shù)的供應(yīng)擔(dān)憂主要是由于釩目前主要作為分散廢物來源的副產(chǎn)品開采。
（未經(jīng)允許，嚴(yán)禁轉(zhuǎn)載，不足之處，歡迎批評(píng)指正，未完待續(xù)）
