期刊论文：2002-金属资源与电动车电池可持续发展战略.pdf

作者简介 周恒辉 1963 男 湖南人 北京大学化学与分子工程学院博士 研究方向 化学电源及材料化学 谷亦杰 1972 男 山西人 北京大学化学与分子工程学院博士后 研究方向 材料化学 陈继涛 1975 男 安徽人 北京大学化学与分子工程学院博士生 研究方向 化学电源及材料化学 杨 正 1972 男 河北人 北大先行科技产业有限公司工程师 研究方向 材料化学 孙 杰 1973 男 河南人 北大先行科技产业有限公司工程师 研究方向 化学电源 技术交流 金属资源与电动车电池可持续发展战略 周恒辉1 谷亦杰1 陈继涛1 杨 正2 孙 杰2 1 1 北京大学化学与分子工程学院 北京100871 21 北大先行科技产业有限公司 北京100871 摘要 通过对电动车电池中相关稀有金属的净需量及这些金属的可利用量的比较 在几种备选电池中 受制约程度按以下 顺序递增 Li2ion Mn Li2ion Ni MH Ni AB2 MH Ni AB5 Li2ion Co 兼顾技术发展的阶段性及国家资源的特 点 在近期 可及时推出技术上较为成熟的MH AB2 AB5 Ni 及Li2ion Co 电池系列 推动电动车的快速走入市场 产生示 范效应 而远期则应以Li2ion Mn 或Li2ion Mn2Ni2Co混合 系列的技术突破为重点 以满足对电动车数量上的需求 克服 资源及价格制约的瓶颈 关键词 电动车 MH Ni电池 锂离子电池 稀有金属 可持续发展 中图分类号 TM91219 文献标识码 A 文章编号 1001 1579 2002 06 0337 03 The sustainable development strategy for metal resources and electric vehicle batteries ZHOU Heng2hui1 GU Yi2jie1 CHEN Ji2tao1 YANG Zheng2 SUN Jie2 11College of Chemistry and Molecular Engineering Peking University Beijing100871 China 21Pulead Technology Industry Co1 Ltd Beijing100871 China Abstract The five kinds scarce metal elements Li Ni Co V and RE that could become the resource constraint factor for MH Ni or Li2ion battery to get large2scale application in electric vehicle EV had been discussed1Through comparison between the scarce metal net requirement in the EV batteries and the scarce metal availability the constrained level increased as follows Li2ion Mn Li2ion Ni MH Ni AB2 MH Ni AB5 Li2 ion Co 1The MH Ni AB2or AB5 and Li2ion Co batteries might meet the need for EV by their relatively technology mature currently1Li2ion Mn or Li2ion Mn2Ni2Co batteries might become a best choice for EV batteries1The road vehicle system towards sustainability the development of battery recycling technology should pay attention to protecting scarce metal resources and preventing from second environmental contamination1 Key words electric vehicle MH Ni battery lithium ion battery scarce metal sustainable development 国家科技部通过863计划发布了能源技术领域的电动汽车 专项的项目指南 1 提出 以整车开发为主导 关键零部件和相 关材料紧密结合 基础设施协调发展 政策法规 技术标准与评 估技术同步展开 的基本方针 标志着我国电动车领域研究开 发及产业化计划的全面启动 该指南将电动车的心脏 电 池 作为第4部分的共性关键技术中研究开发的重点 也将成为 众多生产 开发单位争相投入的热点 有些电动车电池涉及有 毒或对环境有害的金属 或在电动车大规模应用时某些金属资 源会变得稀少 在考虑电动车解决今天的资源和环境问题的 同时 如何防止引入新的资源和环境问题 必须从国家乃至全 球可持续发展的高度予以重视 这方面 国际上已有许多很好的研究经验可以借鉴 2 Lave等人曾就铅酸电池大规模引入电动车对环境的正负面影 响作了深入分析 3 并引发了一系列讨论 4 Steel等对各种类 型的动力电池对环境及人类健康的影响或电池的再生作过深 入研究 5 金属资源对电动车电池发展的影响 也有不少研 第32卷 第6期 2002年 12月 电 池 BATTERY BIMONTHL Y Vol 32 No 6 Dec1 2002 1995 2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 表2 每辆电动车对金属的需求量 Table 2 Net metal requirement for each electric vehicle 电池类型 Battery type 与金属相关参数 元素 Element Q mAh g 1 U V m u I g Wh 1 电池能量密度 Specific energy Wh kg 1 电动车能量 Energy capacity kWh 金属需求量 Net metal requirement kg Li2ion Mn Li3 8614 080950 085130353 0 Li2ion Ni Li3 8614 070900 10130353 6 Ni457700 8630 Li2ion Co Li3 8614 160930 11130353 9 Co455600 9633 MH AB2 Ni V1 3920 5072199 5 Co211 Ni416087 MH AB5 Ni RE1 1311 362921 2651721 Co3 578600139617 Ni2855651208910 Q Theory specific capacity mAh g V Theory voltage V m Material utilization u Voltage utilization 究成果 如Will从锂元素的角度分析 认为该元素储量丰富 易 于开采 将不会成为制约电动车大规模应用的因素 6 而Rode 等则认为燃料电池对铂族金属的需求将成为该类电池在电动 车中发展的主要制约因素 7 本文作者将在文献综述的基础上就指南中重点提及的 MH Ni电池及锂离子电池等二次电池中所涉及的金属元素是 否将成为电动车大规模应用时的资源制约因素进行讨论 1 稀有元素在电池中的分布情况 电池中除正负极活性物质涉及到金属外 集流体 极耳 外 壳均需金属件 但后3种主要构件涉及的金属一般属常见金属 如Fe Al等 或使用量不大 故本文中仅讨论活性物质中稀有金 属的情况 表1列出了这些电池电极中可能涉及的稀有金属 主要为锂 Li 镍 Ni 钴 Co 钒 V 及稀土 RE 表1 电池中涉及的稀有金属元素 Table 1 Scarce metals in the active electrode materials 电池 Battery 电池类型 Battery type 含稀有金属元素 Scarce metal 锂离子电池 Li 2 ion Li2ion Mn Li2ion Ni Li2ion Co Li Li Ni Li Co MH Ni电池 MH AB2 Ni MH AB5 Ni Ni Co V Ni Co RE 2 电动车电池中金属的净需量 为测算每辆电动车电池所需的金属需要量 本文主要引用 文献 8 的计算方法 每千瓦时电池所需金属量m1 按下式计 算 m1 1 000 m uCU 1 式中C为金属的理论比容量 mAh g U为理论电压 充 满电时的开路电压 V m是电池中金属实际参与电化学反应 的利用率 u是电池平均放电电压与理论电压的比值 为简化计算 仅选择固定电池质量占汽车总质量比例的客 用小汽车类型作代表 每辆电动车所需电池金属的质量 m kg 可按式 2 计算 m Em1 MtS Ebm1 2 式中E为电动车所需能量 kWh Mt为整车质量 t S 是电池质量占整车质量的比值 Eb为电池的能量密度 Wh kg 相关数据引用美国USABC 美国先进电池协会 提出的商 用电动车标准 EPRI 1998 引用汽车总质量11334t 电池质量 占20 即01267t 每千米耗能0110kWh 表2列出了电动车应用不同电池时对金属的需求情况 表 中金属的理论比容量按文献 7 中相应的电极反应计算 单体电 池的能量密度采用指南中提出的指标 电压利用率计算时平均 工作电压按Li2ion Co 及Li2ion Mn 318V Li2ion Ni 316V计 算 MH Ni电池均按112V计算 计算材料利用率时 考虑到 了目前的实际情况及可能的发展水平 如Li2ion电池即考虑负 极的首次不可逆容量损失 一般为5 12 及材料循环时结 构保持所能达的Li脱嵌程度 目前 世界上汽车的数目在5亿 辆左右 按照Schafer等 9 的估计 至21世纪末 世界人口将达 90亿 100亿 若以目前西欧的人均汽车拥有量作为世纪末的 世界汽车使用水平 则其数目将达到40亿 50亿辆 即在现有 基础上增加近10倍 计算每辆汽车电池对相关金属需求量时 还应考虑汽车及电池的使用周期 电池制造和再生过程中金属 的损失 以及公共备用电池等 为简化计算 以下的讨论将取最 大值50亿辆汽车为基数 而不考虑其他修正因子 10 表3列 出了分别以表1中电池为电动车电池时对相关稀有金属的需求 量 可用于电池中的金属量引自文献 8 表6中100年的总量 的年度平均值 并取其较低的估计值 文中的数值考虑了世界 主要储量 开采的难易程度 社会历年的累积量及其可再利用 率 其他行业的竞争需求等众多因素 一般来说 电池中涉及的稀有金属元素越多 受相关金属 制约的程度越大 结合表3的数据 在这5类电池中 受制约程 度按以下顺序递增 Li2ion Mn Li2ion Ni MH Ni AB2 MH Ni AB5 Li2ion Co 即从可持续发展角度 锰是地球上 排行12位的丰产元素 锰系正极材料构成的Li2ion电池仅涉及 Li一类稀有元素 且Li的供给量与需求量一致 应是优先发展 的技术 而镍系Li2ion 电池 尽管涉及两类稀 有元素 但镍的可供量是 所需量的233 金属资 源亦不会成为该类电池 发展的瓶颈 就MH Ni 电池而言 由于贮氢合金 构成的特殊性 均涉及3 种以上的稀有元素 被金 属资源制约的可能性增 大 其中AB2类电池发展 空间相对比AB5类电池 的空间大 在这两类电池 中 V RE及Ni的可供 量均小于需求量 但它们 的供给量与需求量的比 值相近 主要差异表现在 833 电 池 BATTERY BIMONTHL Y 第32卷 1995 2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 对Co的需求量的不同 应用AB2型MH Ni电池时 Co的可供 给量是需求量的200 而在AB5型电池中 该指标仅为45 而Li2ion Co 类电池是所讨论的5类电池中受金属资源制约最 严重的电池类型 可供量仅占需求量的13 事实上 国际上近 年Co的开采量每年仅32 000t左右 今后该类电池的发展取决 于Co的可再生量及海洋资源的开发 表3 电动车对相关金属的需求与供给情况 Table 3 The position between the metal requirement for electric vehicle and metal availability 电池 类型 Battery type 稀有 金属 Scarce element 每辆车的 金属需求量 Net metal requirement for each EV kg 总的 需求量 Gross metal requirement mr 1010kg 可用于电动车 的金属量 8 Metal availability ma 1010kg 供给量 需求量 Qa Q r Li2ion Mn Li3 001 501 50100100 Li2ion Ni Li3 601 801 5083100 Ni3010011503150233100 Li2ion Co Li3 901 951 5080100 Co3310016 502 1013100 NiMH AB2 V9 504 753 1065100 Co2 101 052 10200100 Ni871043 50315080100 NiMH AB5 RE211001 056 4061100 Co6 703 351 5045100 Ni8910044 503510079100 mr 按50亿辆汽车为基数计算的金属需求量 ma 引自文献 8 的 可用于电动车电池的金属量 3 从资源角度看我国电动车电池的发展策略 中国是人口和资源大国 随着经济的持续发展 也将成为 汽车的消费大国 从保护环境及优化资源配置的角度 及时切 入电动车的发展并大力推广其应用 符合国家乃至世界的可持 续发展战略 但如何兼顾技术发展的阶段性及国家资源的特 点 将是项目实施成败的关键 从技术上看 动力型Li2ion Mn 能量密度在93Wh kg左右 11 Li2ion Ni 的能量密度 达 147Wh kg 12 而Li2ion Co 的能量密度在132Wh kg 13 但综 合性能以Li2ion Co 电池为好 通用汽车的MH AB2 Ni 电池 能量密度己达90Wh kg 14 松下的MH AB5 Ni 电池能量密 度为65Wh kg 15 技术发展已相对成熟 而从资源方面考虑 在以上所论及的5种元素中 我国稀土储量占世界的44 钒 的储量占世界11 锂的储量亦相当丰富 而Co Ni资源相对 贫乏 因此 在近期 可及时推出技术上较为成熟的MH AB2 AB5 Ni 及Li2ion Co 电池系列 推动电动车的快速走入市场 产生示范效应 而远期则应以Li2ion Mn 或Li2ion Mn2Ni2Co混 合 系列的技术突破为重点 以满足对电动车数量上的需求 克 服资源及价格制约的瓶颈 同时 应及早重视相关电池的回收 再生技术的发展 以防止对环境的二次污染及资源的浪费 4 结 论 MH Ni电池和锂离子电池有高能量密度及良好的循环性 能 为电动车的实用化展示了良好的前景 列入了我国863计划 能源技术领域的电动汽车专项中优先发展的主要电池 通过 电动车电池中相关稀有金属的净需量及这些金属的可利用量 的比较 在几种备选电池中 受制约程度按以下顺序递增 Li2ion Mn Li2ion Ni MH AB2 Ni MH AB5 Ni Li2ion Co 就我国而言 兼顾技术发展的阶段性及国家资源的特 点 在近期 可及时推出技术上较为成熟的MH Ni AB2或 AB5 及Li2ion Co 电池系列 推动电动车的快速走入市场 产生 示范效应 而远期则应以Li2ion Mn 或Li2ion Mn2Ni2Co混合 系列的技术突破为重点 以满足对电动车数量上的需求 克服 资源及价格制约的瓶颈 同时 应及早重视相关电池的回收再 生技术的发展 以防止对环境的二次污染及资源的浪费 以促 进电动车在我国的可持续发展 参考文献 1 中国高技术研究发展办公室 1 十五 863 项目指南 电动汽车专 项 http 2001 101 2 Andersson B A 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