随着世界转向电动汽车以减少气候变化，量化未来对关键电池材料的需求至关重要。在一份新的报告中，ChengjianXu、BernhardSteubing以及荷兰莱顿大学和美国阿贡国家实验室的一个研究小组展示了锂、镍、钴和锰氧化物为主的电池在2020年到2050年间的需求将以多个因素增加。因此，锂、钴和镍的供应链需求大幅扩张，并可能需要探查更多的资源。然而，相对于电动车队的发展和每辆车的电池容量，不确定性是很大的。在2050年之前，闭环回收在减少原材料需求方面起着次要但越来越重要的作用，研究人员必须研究先进的回收策略，从报废电池中经济地回收电池级材料。这项工作现在发表在《自然通讯材料》上。
电动汽车的发展
与装有内燃机的车辆相比，电动汽车（EV）对气候的影响更小。这一优势导致需求大幅增长，全球船队从10年前的几千艘增长到2019年的750万艘。然而，全球平均汽车市场仍然有限，而未来的增长预计将使过去绝对数量的增长相形见绌。锂离子电池（LIBs）是目前电动汽车的主流技术，典型的汽车锂离子电池正极含有锂、钴和镍，阳极含有石墨，其他成分中含有铝和铜。电池技术目前正朝着新的和改进的化学方向发展。在这项工作中，Xu等人研究了全球轻型电动汽车电池的材料需求，从锂、镍、钴到石墨和硅，并将材料需求与持续生产能力和已知储量联系起来，以讨论改进电池的关键因素。这项工作将通过提供对未来电池材料需求的洞察，以及推动电池材料需求的关键因素，协助向电动汽车过渡。
全球电动汽车库存发展预测到2050年。纯电动汽车、插电式混合动力电动汽车、STEP方案、国家政策情景、可持续发展情景。
电动汽车（EV）车队增长
该团队根据国际能源署（IEA）的两种情况预测了电动汽车车队的增长，直至2030年。其中包括与现有政府政策相关的既定政策（STEP）以及与《巴黎协定》气候目标相一致的可持续发展（SD）情景，即到2030年电动汽车全球销量达到30%。在这项分析中，Xu等人将这些情景延长到2050年。为满足STEP方案，到2050年，每年需要约6TWh的电池容量。材料要求将取决于电池化学试剂的选择，目前正在考虑的三种电池化学试剂。
最有可能出现的情况将遵循当前锂镍钴铝（NCA）和锂镍钴锰（NCM）电池（以下简称NCX，其中X代表铝或锰）的当前趋势。到2030年，这将导致电池化学的发展。作为锂离子电池正极材料的磷酸铁锂（LFP）有望在未来电动汽车中得到越来越多的应用。虽然比能量较低会影响电动汽车的燃油经济性和续航里程，但LFPs具有生产成本低、热稳定性好、寿命长等优点。尽管LFP电池目前在公共汽车等商用交通工具中使用很普遍，但在包括特斯拉斯在内的轻型电动汽车中也有广泛应用的前景。
在STEP方案中，电池市场份额和2050年前电动汽车电池年销量。（a）NCX场景。（b）LFP场景。（c）Li-S/空中场景。LFP磷酸铁锂电池、NCM锂镍钴锰电池、NCM111、NCM523、NCM622、NCM811、NCM955中的数字表示镍、钴、锰的比值。NCA锂镍钴铝电池，石墨（Si）石墨阳极含部分硅，锂硫锂电池，锂空气电池，TWh109kWh。
电池材料需求和回收潜力
随后，科学家们评估了全球对电动汽车（EV）电池的需求，并指出，对锂的需求增长只受电池特定化学成分的轻微影响，而镍和钴的特定电池化学成分对其需求的影响更大。从2020年到2050年，锂离子电池的需求量进一步增加。通过这种方式，他们预测2020年至2050年锂的累计需求量在730万吨至1830万吨之间，钴的累计需求量为350万吨至1680万吨，镍的累计需求量为181万吨至889万吨。
Xu等人接下来展示了废旧电池中随时间变化的材料，并讨论了回收这些材料如何有助于减少初级材料的生产。现有的电动汽车电池商业回收方法有干法和湿法两种。火法回收包括对整个电池或经过预处理的电池组件进行熔炼。湿法冶金是以酸浸和随后通过溶剂萃取和沉淀法回收电池材料为基础的。在闭环循环利用中，火法冶金处理后可进行湿法冶金处理，将合金转化为金属盐。直接回收法的目的是回收阴极材料，同时保持其化学结构以获得经济和环境优势，但这种方法仍处于早期发展阶段。
在NCX、LFP和Li-S/空气电池方案中，锂、镍和钴的电池材料流动从2020年到2050年。（a）原材料需求。（b）废旧电池材料。STEP情景——既定政策情景、可持续发展情景、百万吨级可持续发展情景。
电动汽车展望
通过这种方式，徐成建、伯恩哈德·斯特宾及其同事开发了模型，以展示锂、镍和钴的电池产能将如何大幅增长，因为即使在2025年之前，电动汽车的需求增长率也可能超过目前的生产速度。电池材料可以在不超过现有生产能力的情况下供应，但必须增加供应以满足其他部门的需求。概述的供应风险可能随着新储量的发现而改变。对电池容量的需求将取决于技术因素，如车辆设计、重量和燃油效率，以及车队规模和消费者对电动汽车尺寸和范围的选择。
直接回收法是最经济、最环保的闭路循环法，因为它可以在不经过冶炼和浸出的情况下回收阴极材料。向电动汽车的成功过渡将取决于能否跟上该行业增长的持续的材料供应。科学的可持续性评估，包括化学物质的生命周期评估，将指导替代电池化学品和原材料的选择。这项工作预计的全球需求也为监测电动汽车及其电池的全球经济环境和社会影响提供了一个平台。