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      1. 探礦工程在線 > 正文

        地質工作與碳中和 | 電動汽車中礦產資源的高效利用

        發布時間:2021年04月06日
        來源:中國礦業報網(2021-04-02)作者:姜重昕

               摘要:電動汽車因零排放、更高效,已成為各國減少溫室氣體排放、實現能源多樣化的不二之選。電動汽車增長的關鍵驅動因素是獲得穩定、可靠、可負擔得起的礦產資源等原材料。加強技術創新與循環利用是打造一體化循環式低碳經濟商業模式的關鍵。

               根據國際能源署2016年報告,全球范圍內公路運輸溫室氣體排放量約占總排放量的1/4,同時也是空氣污染的主要來源。為降低溫室氣體對環境的影響,國際上通過了《關于電動汽車和氣候變化的巴黎宣言》聯合國氣候變化公約,力爭通過可持續的交通運輸電氣化將溫度降低2°C。
               電動汽車因零尾氣排放、比燃油汽車效率更高和能有效減少溫室氣體排放等巨大潛力,成為各國降低空氣污染、減少溫室氣體排放、實現能源多樣化的不二之選。其數量增長的關鍵驅動因素是獲得穩定、可靠、可負擔得起的原材料。電動汽車與常規內燃機汽車的主要區別在于動力總成系統中的電機和電池,兩者都需要特定的礦產資源來制造。所以,首先要明確相關礦產資源,同時要保障電動汽車市場的擴張速度不受礦產資源供應的限制。

        一、電機中的礦產資源

               電動汽車電機的主要技術包括:永磁電機、感應電機、同步繞線轉子電機、同步磁阻電機和直流電機。其中,依靠稀土元素的永磁電機因其最高的效率和功率密度成為最主要的技術,其次為以銅為主的感應電機。
               永磁電機的主要部件材料是釹鐵硼永磁體和銅定子。永磁鐵由鐵、硼和稀有金屬組成,材料比例則根據車輛設計有所不同。感應電機的主要部件材料是銅/鋁轉子籠和銅定子(以銅為主的轉子籠電機效率更高)。

        二、電池中的礦產資源

               電池技術是當前為電動汽車供電以及通過可再生能源支持低碳和電網脫碳的主要技術解決方案。鋰離子電池因較高的能量密度成為目前電動汽車最主要的電池技術。
               鋰離子電池由電池芯、電池模塊和電池組組成,根據陰極使用的活性礦物的不同可分為鎳鈷錳(NCM)電池、鎳鈷鋁(NCA)電池、磷酸鐵鋰(LFP)電池和鋰錳氧化物(LMO)電池。麥肯錫公司2018年發布的報告指出,2017年售出的電動汽車中,鎳鈷錳電池占57%,磷酸鐵鋰電池占24%,鎳鈷鋁電池占16%,鋰錳氧化物電池占4%。鋰離子電池的電解質由有機溶劑、導電鹽和添加劑組成。在大多數鋰離子電池中,石墨是主要的負極材料。隨著人們對鋰離子電池能量密度的要求越來越高,科研人員選擇將硅材料加入石墨中以提高電池容量。
               因此,電動汽車電池中的主要礦物包括鋰、鎳、鈷、錳、鋁、鐵、磷、石墨、硅、氟、銅等。

        三、電動汽車礦產資源的循環利用

               電動汽車報廢電池的回收對于回收貴金屬和控制有害物質非常重要,同時也是打造一體化的循環式低碳經濟商業模式的關鍵。電動汽車報廢電池的回收是一個分離過程——分解為外殼、陰極和陽極材料、電解質及其他物質。之后,采用濕法冶金或火法冶金等方法從陰極材料中回收鋰、鈷等特定材料。預計到2025年,將有近500萬噸鋰離子電池用于電動汽車;到2030年,將有1.25億輛電動汽車在路上行駛,超1100萬噸的已用鋰離子電池被丟棄。近年來,世界主要經濟體紛紛通過立法完善監管框架,加強對報廢電池的管理,同時鼓勵技術創新。
               歐盟于2019年建立了電池指令,用于管理和回收整體電池。該指令明確,包括電動汽車電池在內的電池均由生產者延伸責任(EPR)系統管理。德國根據《電池法》管理報廢電池,要求所有電池和蓄電池的制造商和進口商都有義務收集報廢的電池,消費者有義務將其與生活垃圾分開處理。美國沒有專門的聯邦法律來管理電動汽車電池,而是根據通用廢物法規管理報廢電池;但紐約、明尼蘇達州和加利福尼亞州等一些州禁止電動車電池填埋。
               目前,報廢鋰離子電池的回收技術落后于電動汽車行業的蓬勃發展。用于鋰離子電池回收及其金屬回收的技術解決方案仍然受到幾何形狀(自動拆卸)和配方(優化回收方案)的限制。更簡單的幾何形狀和更簡單的配方將有助于減少拆卸和回收步驟,從而提高產量并控制處理和加工成本。因此,創新設計和幾何形狀的標準化是當下較為可行的技術創新方案之一。
               為了實現電動汽車的高速發展,應加強對相關礦產資源的開發與供應,同時建立完善一體化的循環式低碳經濟商業模式,以助力實現碳中和目標。(作者單位:中國地質調查局地學文獻中心)

        [責任編輯:kyb]

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