6 Solutions To Battery Mineral Challenges

由柏拉图重新发布

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最近的大量文章，无论是自发的还是协调的，都试图抹黑可再生能源、电动汽车和气候节约型能源转型的其他要素。批评的范围从电网可靠性到土地使用，从经济到公平。最广泛且相互矛盾的主张之一是，如果不是不可能找到足够的矿物来制造全球电动汽车 (EV) 所需的所有电池，那将具有巨大的破坏性。这些矿物问题确实不是小事，但往往被夸大了。我将在这里概述如果我们包含经常被忽视的解决方案，它们将如何变得易于管理。

锂、镍和钴等电池材料是更广泛动态的特例。当开采的材料预计变得稀缺时，其价格就会上涨。正如我所描述的，该信号引发了更有效的使用、回收、替代、探索、创新和其他市场反应稀土。（说明该文章的替代论点，氮化铁四年前提到的作为实验目标的超级磁铁现在已经实现市场; 它们不含稀土，理论上可以比最好的稀土磁铁强两倍。）

矿产稀缺可能是真实的，也可能是炒作的——例如，为了减少电动汽车与石油的竞争，或者为了提高投机者的商品或矿业股票价格。除了稀缺性之外，一些矿物还可能引起合理的担忧，例如童工、腐败和手工钴矿开采中的其他滥用行为；过度依赖中国矿石和加工厂；或采矿业的用水和环境破坏。

真正的担忧可能还需要背景——比如最近的一句话，其有效性取决于许多假设，即种植加州杏仁每磅所需的水量是在沙漠中开采锂的六倍。杏仁也只能享用一次，但一旦提取，锂就可以或多或少永久地持续提供益处。当然，可再生能源电动汽车取代了对土地、空气、健康和气候造成严重损害的燃油汽车。

虽然人们对开采电池矿物存在适当的担忧，但也存在许多强大且倍增的解决方案，而传统预测经常低估或忽视这些解决方案，夸大了未来的采矿需求。现在让我们探索解空间的六个连续的乘法部分。

1. 每公斤储存更多能量

改进电池的成分、制造、设计、控制和充电可以使每单位材料存储更多的能量。 2010年以来，锂离子电池电芯几乎增加了三倍每公斤的能量储存。其价格在同一十年内下降了 89%，部分原因是其对材料的使用更加节约。预计本十年将取得进一步重大进展；作为许多例子之一，硅阳极据说可以将锂离子电池的能量密度提高20%。雷米评估预计到 2025 年，使锂离子电池能量密度加倍的技术可投入生产。特斯拉 2020 年电池日宣布了重大改进，现已扩大到 2022 年的大规模生产。因此，基于旧能源密度的预测大大夸大了所需的采矿量。

2. 持续更久，然后“转世”

随着设计、材料、制造和使用的改进，电池的使用寿命也更长。只需一个新的充电配置文件即可反转缩短寿命的锂迁移。百万英里电池正在出现，因此它们的使用寿命很快就会变得像调制解调器的速度一样无关紧要。电池的使用寿命越长，其材料可以支持的车辆行驶里程就越多。

当电动汽车最终退役（或崩溃）时，其电池组可以“转世”为有价值的固定存储，继续提供巨大价值，不是通过移动车辆，而是通过支持全球向可再生能源的转变（从而减少化石燃料的开采）和排放）。因此机动之家（苏黎世）通过向多个欧洲国家的电网出售来自固定或停放电动汽车电池组的 1000 项潜在服务中的约 13 项，每个电动汽车电池组每年可赚取约 21 欧元。（例如，2018 年，该公司授权电动汽车成为德国第一座轮式发电厂，能够向电网出售频率稳定服务。）

协调全球电动汽车的巨大存储和其他功能，约 95% 的时间处于停车状态，并且通常可以在灵活的时间充电，正在成为太阳能光伏和风能等可变可再生能源快速增长的主要且利润丰厚的推动因素。公用事业规模和用户侧存储不仅会相互竞争，还会与电网集成、基于电动汽车的电力存储竞争。那和八其他类型的无碳电网灵活性资源意味着公用事业规模的电池是有用的，但对于维持电网来说并不是必需的可靠当它变得可再生时（另一个谈话）。因此，用于电动汽车和电网的电池不是 添加剂 要求但是 互补、共享且通常是连续的 使用相同的材料，减少总采矿需求。

3. 回收电池

回收的锂电池单元的镍含量、锂含量和钴含量分别比各自的天然矿石丰富约 17 倍、4-5 倍和 10 倍。资源循环利用的“开采”已经渐行渐远进行。我最近参观了 Tesla 联合创始人 JB Straubel 的 Redwood Materials 植物位于内华达州卡森市——美国领先的电池回收商和新兴的世界领导者。该工厂每天回收几辆半卡车装载的极其多样化的电池——各种类型、形状、尺寸和用途，通常是从主要零售商那里收集这些电池，然后再从客户那里获得这些电池。该工厂将所有这些电池（通常效率超过 90%）转化为纯材料，然后再重新制成新电池。

实际上，红木材料公司是一个良性、无污染、近乎零排放的“矿山”，生产锂、镍、钴、铜和石墨，并且还将推出更多产品。通过出色的设计，它不会产生浪费，只会产生价值。目前，它使用少量天然气来启动几天的连续加工，以电解质和自维持反应为燃料。未来的工艺也将挤出这些气体并捕获固体碳。

尽管产能迅速扩大，预计到 20,000 年每年的投入量将达到 2021 吨，但该加工已经在现金流的基础上盈利。即使到 2021 年 45,000 月，该工厂每年也能回收足够的电池材料来制造 0.7 个电动汽车电池组。该公司于 2021 年 14 月筹集的 2021 亿美元资金获得超额认购。 XNUMX 年 XNUMX 月 XNUMX 日，红木材料宣布计划一家工厂生产先进电池电极，越来越多地使用回收材料——到 2025 年每年足以生产约 2030 万辆电动汽车，到 XNUMX 年将增加五倍。一周后，福特宣布建立广泛联盟，开发闭环北美电池供应链。

Redwood Materials 的可回收电池的主要来源是距离半小时车程的 Tesla Gigafactory，这是 JB 的另一个设计项目。该公司每天发送两卡车有缺陷的产品和废料，并回收回收材料来制造更多电池。这两种植物是共生的，就像地衣一样。全球其他正在崛起的大型电池工厂也将有机地获得类似的闭环合作伙伴。规模更大但较晚（对于汽车来说，通常至少十年后）的材料回收将来自销售和使用的电池。

随着更高效的电动汽车中使用的能量密度更高的电池与不断增长的电动汽车市场份额展开竞争，此类回收业务已经可以提供全球电动汽车车队所需材料的十分之一左右。随着时间的推移，回收最终可以规模化以实现稳态，消除随着滞后的复苏赶上几十年来全球电动汽车增长饱和，行业产能规模非常大，约为（非常粗略）10太瓦时/年。这种闭环可以使电动汽车的二氧化碳排放总量减少一半左右₂ 排放。遵循类似的原则，苹果的目标是到 2030 年生产不需要挖矿的 iPhone。

类似的概念验证是，在市场已经饱和的电池系统中，世界上大约三分之二的电池系统神经毒性铅 99% 的电池铅已经得到回收（大约一半是正确回收，一半是非正式回收）和危险）：在美国几乎每个州，如果不上交旧电池，就无法购买铅酸汽车电池，因此这个循环已经几乎闭合，而且铅现在很少被开采。现在，Redwood Materials 及其竞争对手的目标是“开采”大约十亿个美国家庭的旧笔记本电脑、手机等中未使用的废旧电池，这些电池的金属通常比铅更有价值，而且通常富含钴。

随着电池成分的变化，回收流不会直接转化为相同的电池容量。因此，智能手机电池通常具有较高的钴含量，而汽车电池制造商正在迅速降低钴含量，因此将智能手机电池回收到电动汽车电池中，每克钴的电池容量可增加约 30 英寸。因此，制造电动汽车电池组需要 10,000 个智能手机锂电池的订单，但只需要约 300 个钴电池。特斯拉等公司计划消除其电池的钴使用量，但仍然需要钴的制造商将能够从旧智能手机中获得钴，而不是刚果儿童矿工。

4.新型电池化学成分

几家公司已经展示了新型电解质（例如离子材料'固体聚合物），允许像可充电碱性物质这样的化学物质。这种化学物质，如锰锌或锰铝，不需要稀缺、昂贵、有毒或易燃的材料。因此它们可以取代锂和镍和钴，使锂离子电池生产商（尤其是中国）处于不利地位。虽然锂离子电池价值链在某些方面表现出“锁定”，但印度国家电池使命强调新化学（印度也恰好富含锰和锌），并且像其他地方的其他努力一样，可能会提供独特的优势，使电池化学成分多样化。一些电池金属，如铁和铝，是地壳中最丰富的元素之一。新型电解质还可以 enable 安全的锂离子和锂硫电池甚至适用于航空。

5. 高效车辆

几乎所有分析师都忽视的一个主要变量是电动汽车的效率。质量、空气动力阻力和滚动阻力的有利减少——改进车辆的物理性能而不是其电动动力系统的效率——可以将相同行驶里程所需的电池容量减少 2-3 英寸。宝马 2013–22 i3， 例如，通过需要更少的电池来移动更小的质量以及更简单的制造（只需正常投资和水的三分之一以及正常能源、空间和时间的一半）来支付其超轻碳纤维车身的费用。因此，每辆车的预计电池容量不是一个固定数字，而是应根据平台效率进行参数化。该未计数变量的潜在范围是多少？ 2021 年 2 月，3-XNUMX 分钟——今年晚些时候，会增加几倍！

这是因为新一代车辆的效率进一步提高了约 2-4 英尺，将于 2022 年进入市场，而且效率如此之高，以至于它们只需通过其上表面的太阳能电池即可为正常的通勤周期提供动力。（披露：我为两家这样的公司提供建议 - 无翅目两个座位时 343 mpge，并且光年.one 251 英里每小时 2 英里。）两种设计都可以进一步改进。此类车辆需要较小的电池和较少的充电基础设施或不需要充电基础设施。以整数表示，它们的效率比特斯拉等汽车高 3-XNUMX 英寸 型号3，市场上最高效的电动汽车之一。总之，这些效率提升可以使用电池高达 一个数量级 比目前市场上的许多电动汽车效率更高（大约是十倍），并且可以相应地减少电池需求，所有这些都具有无与伦比的安全性和有吸引力的驾驶员属性。阿普特拉 永不收费 是一种小众车辆，但荷兰公司 Lightyear 的却是主流。两者都很重要，而且还会有更多。

6.高效的移动性

除了车辆本身的系统边界之外，更高效地使用车辆、新的移动业务模式、虚拟移动（发送电子、将重核留在家里）以及更好的城市设计和公共政策（以更少的驾驶提供更好的交通）都可以极大地影响未来对汽车和驾驶的需求。例如，萨姆·多伊奇报告 “亚特兰大和巴塞罗那的人口数量和快速交通长度相似，但巴塞罗那的碳排放量低 83%，公共交通乘客量高 565%。”

作为我的 2017 分析发现稀土，现在电池矿物也是如此，

……最有效的替代品……在电机和电池方面，不是另一种制造电机或电池的奇异材料；而是另一种材料。它是更智能的汽车设计，可以使电机更小，电池更少。或者，更好的是，它可能是新的商业模式——像 Zipcar 和 GetAround 这样的共享服务，像 Lyft 和 Uber 这样的移动即服务运营，或者自动驾驶汽车——让更多的人在更少的汽车中行驶更多的里程。成本低得惊人，最终在全球范围内节省约 10 万亿美元（以净现值计算）。

这些选择涵盖了潜在避免车辆的广泛范围，但在一些城市核心区，网约车服务取代的车辆数量是其使用数量的数倍。美国私家车的平均利用率约为 4-5%，潜力显然要大得多。将此与其他机会结合起来（时间尺度和可能性差异很大）——电池能量密度短期收益约 2´，电池寿命增加数倍，约 2-8⁺”在车辆效率方面，以及电池化学中稀缺材料的潜在完全替代——对开采电池材料的需求的高预测看起来高度不确定，并且在很大程度上可能是错误的。

结论

与增加供应相比，我们有更多方法来节省相关电池材料，但这些需求方机会却被广泛忽视。竞争或比较所有从整体系统的角度来看，强调需求杠杆和供应扩张，并对它们进行比较或竞争，将产生更好的选择、行动和影响，并有助于避免资产泡沫、供应过剩、不必要的干预和不必要的风险。这就是为什么对电池材料或任何其他所谓稀缺资源的讨论必须考虑的不仅仅是简单化的需求预测或令人担忧的矿山，而是整个系统——端到端、线性到循环，并充分参与创新、经济和技术。贸易。

物理学家 艾莫里 B. 洛文斯 是 RMI 的联合创始人兼名誉主席，也是斯坦福大学土木与环境工程系的兼职教授。

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