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地质工作与碳中和 | 电动汽车中矿产资源的高效利用

发布时间:2021年04月06日
来源:中国矿业报网(2021-04-02)作者:姜重昕

       摘要:电动汽车因零排放、更高效,已成为各国减少温室气体排放、实现能源多样化的不二之选。电动汽车增长的关键驱动因素是获得稳定、可靠、可负担得起的矿产资源等原材料。加强技术创新与循环利用是打造一体化循环式低碳经济商业模式的关键。

       根据国际能源署2016年报告,全球范围内公路运输温室气体排放量约占总排放量的1/4,同时也是空气污染的主要来源。为降低温室气体对环境的影响,国际上通过了《关于电动汽车和气候变化的巴黎宣言》联合国气候变化公约,力争通过可持续的交通运输电气化将温度降低2°C。
       电动汽车因零尾气排放、比燃油汽车效率更高和能有效减少温室气体排放等巨大潜力,成为各国降低空气污染、减少温室气体排放、实现能源多样化的不二之选。其数量增长的关键驱动因素是获得稳定、可靠、可负担得起的原材料。电动汽车与常规内燃机汽车的主要区别在于动力总成系统中的电机和电池,两者都需要特定的矿产资源来制造。所以,首先要明确相关矿产资源,同时要保障电动汽车市场的扩张速度不受矿产资源供应的限制。

一、电机中的矿产资源

       电动汽车电机的主要技术包括:永磁电机、感应电机、同步绕线转子电机、同步磁阻电机和直流电机。其中,依靠稀土元素的永磁电机因其最高的效率和功率密度成为最主要的技术,其次为以铜为主的感应电机。
       永磁电机的主要部件材料是钕铁硼永磁体和铜定子。永磁铁由铁、硼和稀有金属组成,材料比例则根据车辆设计有所不同。感应电机的主要部件材料是铜/铝转子笼和铜定子(以铜为主的转子笼电机效率更高)。

二、电池中的矿产资源

       电池技术是当前为电动汽车供电以及通过可再生能源支持低碳和电网脱碳的主要技术解决方案。锂离子电池因较高的能量密度成为目前电动汽车最主要的电池技术。
       锂离子电池由电池芯、电池模块和电池组组成,根据阴极使用的活性矿物的不同可分为镍钴锰(NCM)电池、镍钴铝(NCA)电池、磷酸铁锂(LFP)电池和锂锰氧化物(LMO)电池。麦肯锡公司2018年发布的报告指出,2017年售出的电动汽车中,镍钴锰电池占57%,磷酸铁锂电池占24%,镍钴铝电池占16%,锂锰氧化物电池占4%。锂离子电池的电解质由有机溶剂、导电盐和添加剂组成。在大多数锂离子电池中,石墨是主要的负极材料。随着人们对锂离子电池能量密度的要求越来越高,科研人员选择将硅材料加入石墨中以提高电池容量。
       因此,电动汽车电池中的主要矿物包括锂、镍、钴、锰、铝、铁、磷、石墨、硅、氟、铜等。

三、电动汽车矿产资源的循环利用

       电动汽车报废电池的回收对于回收贵金属和控制有害物质非常重要,同时也是打造一体化的循环式低碳经济商业模式的关键。电动汽车报废电池的回收是一个分离过程——分解为外壳、阴极和阳极材料、电解质及其他物质。之后,采用湿法冶金或火法冶金等方法从阴极材料中回收锂、钴等特定材料。预计到2025年,将有近500万吨锂离子电池用于电动汽车;到2030年,将有1.25亿辆电动汽车在路上行驶,超1100万吨的已用锂离子电池被丢弃。近年来,世界主要经济体纷纷通过立法完善监管框架,加强对报废电池的管理,同时鼓励技术创新。
       欧盟于2019年建立了电池指令,用于管理和回收整体电池。该指令明确,包括电动汽车电池在内的电池均由生产者延伸责任(EPR)系统管理。德国根据《电池法》管理报废电池,要求所有电池和蓄电池的制造商和进口商都有义务收集报废的电池,消费者有义务将其与生活垃圾分开处理。美国没有专门的联邦法律来管理电动汽车电池,而是根据通用废物法规管理报废电池;但纽约、明尼苏达州和加利福尼亚州等一些州禁止电动车电池填埋。
       目前,报废锂离子电池的回收技术落后于电动汽车行业的蓬勃发展。用于锂离子电池回收及其金属回收的技术解决方案仍然受到几何形状(自动拆卸)和配方(优化回收方案)的限制。更简单的几何形状和更简单的配方将有助于减少拆卸和回收步骤,从而提高产量并控制处理和加工成本。因此,创新设计和几何形状的标准化是当下较为可行的技术创新方案之一。
       为了实现电动汽车的高速发展,应加强对相关矿产资源的开发与供应,同时建立完善一体化的循环式低碳经济商业模式,以助力实现碳中和目标。(作者单位:中国地质调查局地学文献中心)

[责任编辑:kyb]

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