2021年10月20日
开云全站app登录官网入口下载工程是缓解清洁能源关键材料供应紧张的关键
贡献:Dolf Gielen
关键材料的供应已成为向清洁能源过渡的一个主题。电动汽车、太阳能光伏板和风力发电机的制造需要的矿物比消耗化石燃料的同类产品更多。
所需的关键矿物包括铜、锂、镍、稀土、硅等。这一问题引发了关于能源转型的可行性和速度、经济和地缘政治后果的问题。然而，有一些策略可以解决这个问题:
- 增加采矿和多样化供应
- 创新以避免或最小化关键材料的使用
- 循环经济的概念，最大限度地重复使用和回收
创新在短期内发挥着关键作用，因为它的影响最强，产量也会上升。这应该是努力减少关键材料依赖的起点。电动汽车电池和永磁体是最受关注的两种应用，很明显，创新在这两个领域都发挥着关键作用。
设计可以弥补电池材料的不足
虽然汽车电池被称为锂离子电池，但按重量计算，它们只含有3%的锂。阴极通常由镍、锰和钴组成，可占电池组总重量的15%。阴极重量可以是60-70公斤的中型汽车。电动汽车产量预计将从2021年将达到620万辆到2030年达到4000万套。这意味着需要2.4-2.8 Mt阴极金属。倾向于高镍低钴含量的阴极(NiMnCo 811，含80%镍)。与早期的阴极成分相比，这种趋势降低了对钴的依赖。2019年全球镍产量为250万吨，因此这一增长将使需求翻一番。2017年至2021年期间，镍价已经翻了一番，达到每公斤20美元。在目前的价格下，仅阴极材料就可以达到每辆汽车1500-2000美元，占车辆总成本的很大一部分。
创新应该是努力减少关键材料依赖的出发点。
因此，寻找其他解决方案的动机很明显。中国公司已经开发了基于低成本丰富材料的磷酸铁锂(LFP)正极锂硼电池。它将成本从140-160美元/千瓦时降低到85美元/千瓦时。同时，由于材料组成，电池更安全(Sanderson, 2021)。唯一的缺点是电池材料每单位能量的重量增加了一倍，因此范围减小了。不过，对于城市车辆来说，这可能是可以接受的。LFP电池的化学性质仍有改善的可能。一个例子是通过在石墨阳极中添加硅(Jaroni等人，2019)。中国比亚迪公司开发了所谓的叶片LFP电池。虽然大多数汽车电池都是将电池单元放在一个模块中，然后再组成电池组，但在这种替代设计中，细长的电池单元直接放入电池组中。通过这种设计，与传统的LFP电池相比，该公司可以在电池组中多装入50%的电池。该方法节省了空间，并弥补了由于减少套管需求而固有的单元重量和范围缺点。
永久磁铁:对可持续设计的持续探索
目前需要注意的第二个领域与永磁体有关。这些磁铁用于发电机(特别是高性能风力涡轮机)和节省空间和重量的电动机(电动汽车)。展望未来，电动汽车的增长将是永磁体的关键细分市场。稀土，特别是钕和镝，被广泛用于发电机的永磁体(如。风力涡轮机)和电动马达(用于车辆)。到2030年，稀土永磁体的应用预计将从稀土总需求的29%增加到40%。事实上，情况甚至更加有限，因为在联合生产的17种稀土元素中，只有少数适合做磁铁。
钕铁硼(NdFeB)磁体具有紧凑的设计，对于轻量化应用和降低制造成本非常重要。它们还能提高能源效率。稀土元素在磁体中的总重量含量在30%左右，其材料成本占磁体总成本的70%左右甚至更多。在商业烧结钕铁硼磁体中，钕通常被包括镨、镝和铽在内的其他稀土元素部分取代。由于钕和镨通常共存于矿石中，且这两种元素具有相似的物理和化学性质，因此生产镨钕合金比从矿石中生产纯金属钕并使用这种合金作为磁体的原料更为经济。
供应紧张的前景令人生畏，因为它将停止汽车生产。
钕一般是稀土含量的10- 18%的商业矿床中的轻稀土矿物。据估计，钕的全球储量约为800万吨，是仅次于铈的第二大稀土元素。因此，资源是充足的，但短期和中期的供应增长可能会带来挑战。另一个可能的挑战是，采矿和磁铁生产主要集中在中国，至少目前是这样。为了使钕磁体在高温下(在汽车中)发挥作用，添加了大量的镝(按重量计高达12%)。然而，就地壳中的相对丰度而言，镝在所有稀土元素中所占的比例不到1%。因此，镝的供应增长速度不足以满足电动汽车对高温钕磁体日益增长的需求。因此，需要找到替代添加剂。
每辆车的永磁体重量在1.5到5公斤之间，钕的价格为每公斤120美元，成本暴露似乎是可控的。然而，供应紧张的前景令人生畏，因为它将停止汽车生产。雷诺和特斯拉已经分别采用了绕线转子和感应电机技术，消除了稀土磁铁。这些技术和其他技术，特别是开关磁阻电机和用低成本铁氧体取代稀土磁铁，也许可以在未来形成更高性能的牵引电机的基础。公司试图减少它们的使用包括日本第三大汽车制造商日产，该公司正在从其新款Ariya车型的发动机中去除稀土磁铁。德国宝马(BMW)今年在其iX3电动SUV上也采取了同样的做法，而全球最大的两家汽车制造商丰田(Toyota)和大众(Volkswagen)也在减少稀土的使用。占2020年轻型汽车总销量46%的制造商表示，他们已经废弃、计划淘汰或正在减少电动汽车中的稀土磁铁。
研究人员还在继续寻找新的永磁配方，以减少或消除稀土金属的使用。
这两个关键应用的简要概述显示了关键材料供应对未来几年能源转型成功的重要性。开云全站app登录官网入口下载工程科学在寻找加速能源转型的可行途径方面发挥着关键作用。能源转型将是一个增长市场的逆行，能够建立领先地位的国家将有良好的经济前景。应其成员国的要求，IRENA将继续把重点放在关键材料上，作为能源转型的推动者。
阅读Dolf Gielen由IRENA发表的论文:能源转型的关键材料
作者简介
Dolf Gielen自2011年起担任国际可再生能源机构(IRENA)创新与技术主任。他在能源转型战略的制定和实施以及国际环境下的技术政策方面拥有超过25年的经验。他拥有荷兰代尔夫特代尔夫特理工大学的博士学位。
