替代电池化学和清洁能源供应链多样化（英）

大西洋理事会 全球能源中心 2022年9月 问题简介 替代电池化学和多样化清洁能源供应链 里德布莱克莫尔帕迪瑞安威廉托宾 介绍 吨 能源从化石燃料向低碳能源的转变将刺激对储能的巨大需求。可以实现轻型运输的清洁电气化并减少间歇性的电池 可再生能源并网的趋势将是全球脱碳努力的先决条件。因此，以足以满足转型期不断增长的储能需求的规模部署此类技术至关重要。 迄今为止，这些努力的领先技术是锂离子(Li-ion)电池，由于其卓越的性能特性，它已经取代了铅酸、镍镉和镍氢电池等前辈电池。目前，锂离子电池约占电动汽车(EV)电池的70%和电网蓄电池的90%。1 然而，无处不在的锂离子电池给能源转型带来了障碍，随着净零目标需要更广泛的储能解决方案，这种障碍可能变得更具挑战性。随着锂、石墨、镍和钴等不同的清洁技术争夺相同的矿物和金属投入，同时对锂离子电池的需求也在增长，对锂离子电池的需求加速正在为储能制造生产瓶颈。其他市场的矿物和材料，例如钢铁 全球能源中心通过与政府、行业、民间社会和公共利益相关者合作，为不断变化的全球能源格局中的地缘政治、可持续性和经济挑战制定务实的解决方案，从而促进能源安全。 1JeffHorowitz、DavidCoffin和BrennanTaylor，电动汽车电池供应链：2020年贸易和增值更新，美国国际贸易委员会，2021年1月，www.usitc.gov/publications/332/working_papers/supply_chain_for_ev_batteries_2020_trade_and_value-added_010721-compliant.pdf；和AlexandraZablocki，“情况说明书：能源存储”，环境与能源研究所，2019年2月22日，www.eesi.org/papers/view/energy-storage-2019。 美国总统拜登在2022年2月的虚拟圆桌会议上宣布了对关键矿产供应链的新投资。(REUTERS/KevinLamarque) 在更广泛的经济增长中继续快速增长。对于这些材料，目前的产量不足以满足预计的需求，现有供应链容易集中、不公平的劳工做法、环境不可持续性，以及越来越多的围绕供应链控制的地缘政治问题。不出所料 ，锂离子电池的价格很容易受到商品相关波动的影响。例如，俄罗斯在 2019年开采了全球21%的1类镍——其纯度足以用于电动汽车电池 ——使其成为全球最大的上游生产国。2对俄罗斯入侵乌克兰和由此产生的制裁后供应冲击的担忧是伦敦金属交易所大幅波动的主要原因，导致价格在一天内上涨了250%，这表明了欠发达金属市场的内在风险。 3在所有条件相同的情况下，这些挑战可能会阻碍紧急部署存储解决方 案以支持净零目标。 鉴于这些供应链对能源转型中的脱碳目标和经济竞争力的重要性，美国及其盟国已将其中许多材料指定为“关键矿物”，突显了能源转型带来的新地缘政治压力。为了确保这些矿产的可靠供应，华盛顿最近采取了新的措施来加强关键矿产价值链各个阶段的供应安全。2022年3月，拜登政府援引《国防生产法》第三章，加快锂、镍、钴、石墨和锰等矿物上游和中游基础设施的开发。4同时，美国国防部、能源部和国务院之间的谅解备忘录提议通过国防储备为能源转型至关重要的矿产建立战略储备。5此外，已在两党基础设施框架下拨款29.1亿美元，以支持电池材料精炼。 2MarceloAzevedo、NicolasGoffaux和KenHoffman，“镍业能变得多干净？”评论，麦肯锡公司，2020年9月11日，https://www.mckinsey。com/industries/metals-and-mining/our-insights/how-clean-can-the-nickel-industry-become。 3JackFarchy、AlfredCang和MarkBurton，“打破镍市场的18分钟交易混乱”，彭博社，2022年3月14日，https://www.bloomberg.com/news/articles/2022-03-14 /inside-nickel-s-short-squeeze-how-price-surges-halted-lme-trading。 4“情况说明书：拜登总统应对普京提价的计划”，白宫简报室，2022年3月31日，https://www.whitehouse.gov/briefing-room/statements-releases/2022/03/31/fact-sheet-president-bidens-plan-to-respond-to-putins-price-hike-at-the-pump/。 5“情况说明书：保护美国制造的关键矿物供应链”，白宫简报室，2022年2月22日，https://www.白色的房子。gov/briefing-room/statements-releases/2022/02/22/fact-sheet-securering-a-made-in-america-supply-chain-for-critical-minerals/。 ing、回收和电池制造。6从长远来看，电池材料回收工艺的开发将在加强关键矿产供应链方面发挥重要作用，但除非采取更雄心勃勃的行动，将整体矿产供应增加到与需求相称的规模，否则挑战将持续存在。 具有里程碑意义的2022年《降低通货膨胀法案》（IRA）还包含一长串相关条款，其核心是旨在激励储能技术的生产并刺激对储能产品的需求。IRA打算为包括电动汽车电池在内的储能产品培育新的国内制造设施；激励电池活性材料、电芯和电池组的生产；并降低在美国生产关键矿物的成本。该法案还包括一项独立的储能投资税收抵免，可能有助于促进整体需求。尽管有这种刺激措施，但储能行业的增长仍然受到关键矿物供应有限的威胁。解决这些供应限制需要进一步努力。 通过利用更容易获得的锂离子电池替代品来降低储能的矿物强度可以缓解供应链问题，同时满足广泛的储能需求——包括公用事业规模和分布式储能，这些需求可能会变得越来越由于持续的可再生能源部署，这一点很重要。 本文概述了几种替代电池技术，包括新的锂离子电池设计和钠离子、液态金属、钠硫和锌离子电池。它还探讨了铁、磷酸盐、硅、钙和锑等矿物质的更大份额对供应链的影响；这些替代方案如何减轻锂离子供应链的压力，同时提高不断扩大的储能环境的性能；以及哪些政策可以确保能源转型不会过度依赖单一的固定存储技术。此分析使用三个总体类别 ：电池成本和适销性、性能和 供应链风险。权衡这三个类别之间的相互作用，提出了每种新技术的用例，并评估它们的整体可行性和大规模进入发展的前景，作为扩大可持续发展的“以上所有”方法的一部分储能经济。 锂离子电池、供应限制和能源转型风险 大 与前代相比，锂离子电池具有三个主要优势，使其处于能源转型的前沿： 能量密度，这使他们能够更长时间地保持电力，并在更长的时间内释放更多的电力而无需充电；相对较高且恒定的3.6伏电压，需要较少的电池即可工作；以及比替代电池型号更轻、更紧凑的结构，允许生产商针对不同范围和价格点的特定用途定制电池。7 这些优势是高效和适应性化学的产物。充电时，带正电的正极中的锂以离子的形式与其他材料分离，离子流过液体电解质（通常是锂盐）并储存在负极（通常由石墨制成）中。在阳极，离子会一直保留到放电，这是一个通过向相反方向发送电子来产生电流的过程。8锂是宇宙中第三轻的元素，也是室温下最轻的固体元素。作为氧化剂，锂具有高能效和理想的轻量级解决方案，适用于在整个电池级别移动的任何东西，无论是便携式电子产品还是电动汽车。它还具有高能量密度，与其他材料相比，每单位体积携带的能量相对较大。 尽管如此，尽管与早期基于镍、铅和镉的电池技术相比，它们具有无数优势，但原材料供应是锂离子电池形式的关键挑战，因此也是整个能源转型的关键挑战。以下矿物投入特别值得关注。 6ScooterDoll，“拜登政府，美国能源部宣布提供30亿美元的新资金以支持美国电动汽车电池制造和回收”，Electrek，2022年2月11日， https://electrek.co/2022/02/11/biden-administration-doe-announce-3-billion-in-new-funding-to-support-us-ev-battery-manufacturing-and-recycling/。 7“锂离子电池的优缺点”，电子笔记（网站），2022年7月18日访问， 8“什么是锂离子电池及其工作原理？”，华盛顿大学清洁能源研究所，2022年7月18日访问，https://www.cei。washington.edu/education/science-of-solar/battery-technology/。 电池将是平衡可再生能源间歇性所必需的，并且会消耗大量原材料。（快门） 锂 鉴于其高导电性和重量轻，锂离子电池的同名矿物难以替代。根据国际能源署的数据，在符合《巴黎协定》的气候情景下，2020年至2040 年间锂需求将增长惊人的42倍，而在2050年净零排放情景下甚至更 多。9预计这种需求增长的大部分将用于清洁能源技术——从2021年 锂需求的30%增加到2040年的90%。10根据《巴黎协定》情景，到 2030年，由于新生产投资不足，全球锂供应可能面临175万吨的短缺 。11 由于在锂供应链中发挥作用的地区数量有限，这种供应短缺可能会加剧 。锂生产高度集中， 85%以上的产量仅发生在三个国家：澳大利亚、智利和中国。12在限制当前资源可用性的同时，极端的地理集中度也带来了供应中断的重大风险，无论是出于政治原因还是非政治原因。 可用锂供应的紧缩已经导致价格急剧上涨。截至2022年1月，全球领先的电池制造商中国的碳酸锂（一种用于电池正极和电解质中锂化合物的基础）的价格较上年同期上涨了五倍。13这一价格上涨意义重大，因为正极材料在锂离子制造成本中所占的比例越来越大，从2016年的不 到5%增加到2021年的四分之一。14极端的供应集中和缺乏流动性的市场可能会给电池价格带来极大的不稳定性，对能源转型构成严重威胁 。预计2022年对锂的需求 9国际能源署，清洁能源转型的矿物要求（巴黎：IEA出版物，修订版，2022年3月），https://www.iea。org/reports/the-role-of-critical-minerals-in-clean-energy-transitions/mineral-requirements-for-clean-energy-transitions。 10IEA，关键矿物在清洁能源转型中的作用，执行摘要，2021年，https://www.iea。org/reports/the-role-of-critical-minerals-in-clean-energy-transitions/executive-summary。 11“承诺的锂矿生产和主要需求”，IEA（网页），2021年， 12MartaYugo和AlbaSoler，“电池原材料展望”，Concawe评论28，第1期（2019年）：1，https://www.concawe .eu/wp-content/uploads/Battery-raw-materials-article.pdf。 13“随着锂价格上涨，电动汽车电池成本将在2022年上涨”，Mining.Com，GlacierMediaGroup，2022年1月3日，https://www.mining。com/ev-battery-costs-set-to-rise-in-2022/。 14GuiyanZang,JiananZhang,SiqiXu,andYangchuanXing，“火焰辅助喷雾热解阴极材料生产的技术经济分析