来一份电动生活谈资:电动汽车电池的锂

来一份电动生活谈资:电动汽车电池的锂

电动汽车的迅速发展扩大了电池生产的规模。电池的重要成分是锂。它从哪里来,前景如何?

管理咨询公司Horváth&Partners的“电动汽车事实调查”显示,近年来,电动汽车的电池技术有了巨大的进步。

续航里程增至500公里

根据这项研究,以制造商指定的NEFZ值作为计算依据,至2020年年底已注册纯电动汽车的平均续航里程为375公里,而电动汽车在2011年平均续航里程仅为150公里,2014年突破了200公里的极限。

电池存储能量翻倍

能量密度越高意味着每千克电池可存储的瓦特数值越多,每次电池充电可达到的续航里程越大。而更小更轻的电池则有助于降低能耗。尽管如此,它们也占了车辆总重量的20%左右,其重量在175至750千克之间,平均约为350千克。

电池价格急剧下跌

价格成本不仅与电池本身有关,而且与整个电池组有关。2020年,一块20千瓦时的电池可能需要汽车制造商付出约2220欧元,而2010年则约为12 000欧元,每千瓦时支出约600欧元。

电动汽车比燃油汽车约贵40%

尽管电池价格下降,但电动汽车的价格仍比同类燃油车型高40%以上。电动机类型、车辆配置及品牌实力等标准也被考虑在内,但不算补贴。如果扣除补贴,那么电动汽车价格仅高出30%。

一辆电动汽车电池平均需要7~12千克的纯锂。乐博国际网址,2019年全球锂产量约为9万吨,而且还在增加。与2020年相比,专家预计仅在电动汽车领域未来对锂的需求就将达到270%。这意味着,在未来几年中,目前大约6万吨的锂总需求量可能会增加到22.5万吨。到2025年,电动汽车在总需求中所占的比例可能会从目前的55%上升到80%。2018年年初,由于需求炒作和全球产量不足,每吨碳酸锂价格在2万美元左右。2020年10月,由于库存水平较高,价格跌至每吨6000~7000美元。

据估计,全球锂储量超过1400万吨,主要分布在硅酸盐岩和含锂的盐湖中。锂辉石锂含量高,是最重要的锂矿物(化学成分中含有锂元素的矿物)之一,主要在澳大利亚和中国开采。

德国的锂生产商

德国是锂的净进口国,2019年以碳酸锂的形式进口了近6000吨锂。进口的锂主要来自南美。阿根廷、澳大利亚和智利的锂目前占全球锂产量的近80%,但是认为只有这些国家才有锂的想法错误的。在欧洲,更确切地说,在葡萄牙、奥地利、塞尔维亚和捷克,最重要的是在德国,研究人员已经发现了大量的锂矿。

据说,它位于德捷边界的东部矿石山脉以及德法边界莱茵河上游低地的深层岩石中。问题是到目前为止还没有找到合适的方法以及较环保和低成本的方式开采,但是应该会在这方面有所突破。

巧妙地使用现有设施

莱茵河上游低地佛日山脉与黑森林之间的地区是德国地热最热的地区。每天有5家当地的地热发电厂从约4公里的深度将最高达180℃的热水向上输送,并将其冷却以产生地热能。然后,再将70℃左右的水压回地下深处。卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)应用地球科学研究所的地球化学和采矿学教授约亨·柯尔柏(Jochen Kolb)希望能够形成一个封闭的循环:“我们希望能够在提取热量后介入该过程”,柯尔柏解释道:“我们将在锰的地热循环中引入氧化锰,以选择性地吸收锂。然后,我们必须用酸使其脱附。”未来也可以使用膜代替吸附剂。首先从热水中滤出锂离子,然后进一步使其浓缩,直到锂以碳酸盐或氢氧化物形式沉淀出来。这两种方法都可以使用现有的地热系统基础设施,而不会妨碍设施的实际使用。

在地热系统的常规化学检查中(每年有多达20亿升的热水流过),研究人员发现了锂。

对于特斯拉电池来说,可在40分钟内获得所需的锂。现有的系统每年可提供相当于2万块电池的锂。“当然,这不能满足全部需求。这项技术能够较好地保护环境”,柯尔柏说。

与传统的采矿不同,由于系统可使热水再次回到地下,因此不会造成环境负担。此外,地热系统热水循环中的锂可在数小时内连续提取,而南美盐湖中锂的提炼需要数月时间。采用来自莱茵河上游低地的锂的第一辆电动汽车问世还需要几年时间。

“在实验室中,我们已经使用莱茵河上游低地的地热水工作,并从水中获得了90%以上的锂”,柯尔柏解释说。KIT希望与研究合作伙伴EnBW合作在该地区经营大部分地热发电厂,并希望在联邦经济部的资助下,未来3年内能够在布鲁赫萨尔建立一个试点工厂。仅在这里,每年就可开采约800吨锂盐。“如果一切顺利,8年后就可以开始经济生产”,柯尔柏说,他对此很有信心。

传统采矿恢复生机

在600公里之外的阿尔滕贝格东部矿山中,更确切地说是在有铁锂云母的地区,开采进度似乎要快一些。欧洲最大的硅酸盐锂矿之一位于有长久采矿历史的地方。

“我们估计这里有12.5万吨锂,相当于66万吨碳酸锂。这足以满足至少2000万辆电动汽车电池的需求”,德国锂业有限公司常务董事阿明·米勒(Armin Müller)说。这家公司大约10年前开始对德捷边境的矿床进行开采。

大约3亿年前,那里的火山岩从地下升起。在它们之间的裂缝中,含金属的水溶液上升到顶部,结晶形成了铁锂云母矿物质。

米勒和他的团队现在希望尽快推进铁锂云母的开采和处理。工作方式如下:在300米深的隧道底部,矿工通过钻孔和爆破获得所需的锂矿石。然后,卡车会在几天内将其运送到指定地点粉碎、干燥和研磨。该矿石由80%的石英和20%的铁锂云母组成。由于铁锂云母中包含近13%的铁,因此磁性分离机可以将非磁性石英与磁性锂矿物分离。剩下的是纯铁锂云母,将被运送到专门的工厂进行化学处理:“我们将锂精矿与石灰石和石膏混合,并在烤箱中以1000℃加热30分钟”,米勒解释说。

这会产生含水溶性硫酸锂的煅烧球。因此,下一步将煅烧产物用水浸滤。剩下的是含锂、钾和硫酸盐的水溶液,向其中添加碳酸盐(对于阴极是必需的)或氟化物(对于电解质是必需的)。“最终得到了一种难以溶解的锂化合物,我们可以将其交给锂离子电池正极材料和电解质制造商”,米勒说。

生产中心的建造将于2022年秋季开始计划,生产可能会在两年后开始。“我们仍然需要最终许可”,米勒解释说,这个生产中心可以提供多达250个新的工作岗位。

锂的开采和回收

弗莱堡大学技术化学研究所所长马丁·伯托(Martin Bertau)距离阿尔滕贝格仅有几公里,目前已经开发出另一种锂矿开采方法。其特点是,伯托不仅要使用所谓的冷却工艺从当地的铁锂云母中提取“白金”,而且要从旧电池中进行回收。

为了使前者成功,必须先将地下开采的矿石粉碎,然后加热到1000℃。在该热处理过程中,铁锂云母发生变化。离子会在加热过程中自行重排,除了制造特氟龙和活性药物成分所需的产品(例如氟化物),还有富含锂的锂辉石。“在二氧化碳与水的相互作用中,我们成功地将锂辉石中所含的锂溶解为碳酸氢锂”,伯托解释道。

在下一个步骤中,可以在加热所得的溶液中通过电渗析将其进一步纯化。在这个过程中,碳酸锂产物沉淀后,可以被滤除。

在这个冷却工艺中,几乎不会产生废料。“氟化物成分进入了氟化物化学领域,例如,它可用于制造抗生素或煎锅。我们从铁锂云母中得到锂。剩下的材料可用于建筑材料行业。这完全符合零浪费原则”,伯托解释说。从经济的角度来看,该技术也符合要求。“我们每吨碳酸锂的生产成本约为1000欧元”,伯托说:“加上开采成本,和澳大利亚的锂提取一样贵。”

“但这还远远不够,我们还可以采用相同的技术从黑色物质中回收锂。这种黑色物质是由电池中的活跃物质构成的,也就是电极中的物质”,伯托继续说:“我们已经在20升此类物质中进行了测试,证明此工艺可行。”

目前,在萨克森自由州和联邦政府的支持下,从2021年1月起,将建立一座电池回收示范工厂。“

我们成功发现了一种工艺,可以在独一无二的工艺线中处理初级和次级原料”,伯托补充说:“因此,我们能够对电池进行真正的回收利用,即以初级产品质量回收锂。”

这项举措已经得到多方关注。在德国,弗莱堡大学正在与巴伐利亚州的一家公司合作,希望与进一步优化流程。“我们正在使用这项技术”,伯托说。他们已经拥有该工艺的三项专利。该工艺将在未来几年获得许可,“比预期的要快。我们将在5年内完成。”

电池生产

现在是开发和生产电池的最好时机。从2024年起,大众汽车集团计划与瑞典电池制造商Northvolt一起在萨尔茨吉特建造自己的电池工厂。作为母公司PSA在凯撒斯劳滕的合资企业(ACC)的一部分,欧宝也有类似的计划,特斯拉将来也将在柏林附近格吕海德建造大型工厂中生产电池。

如果能够以更环保、对社会负责的方式生产电池是最好的选择。德国联邦地球科学与自然资源研究所的德国原材料部门的地质学家米歇尔·施密特(Michael Schmidt)证实:“我们可以看到,欧洲对电池的需求增长速度很快,而且由于所需的电池容量越来越大,在德国的需求也比之前明显增加。”根据德国原材料部门的说法,如果所有计划都能够完成,每年将需要大约3万吨的锂。在整个欧洲,甚至可能需要超过6万吨的锂。

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