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干掉钴,锂可以

帮宁工作室 2021-12-03 15:03 发文

索尔顿海的锂能改变北美电动汽车供应链吗?

编译 | 杨玉科

编辑 | Jane

出品 | 帮宁工作室(gbngzs)

从红山山脉的最高点一眼望去,索尔顿海在沙漠的阳光下闪闪发光,附近的地热发电厂将缕缕蒸汽缓缓送入湛蓝的天空。随着水路蒸发和污染的加剧,索尔顿海几英里干涸的海岸线非常显眼。 萨尔顿海其实是一个面积343平方英里的湖泊。1905年,为分流科罗拉多河洪水而由人工修建,现在它被人熟知的特点主要是农业污水和惊人的含盐量。

然而,回溯到1950、1960年代,那是索尔顿海的高光时刻,它吸引了数百万名游客,成为可与附近的棕榈泉和约塞米蒂国家公园相媲美的旅游胜地。 索尔顿海可能再次迎来它的生机和繁荣,而这个机遇可能会影响整个北美汽车制造业的未来。 这个机遇就是在索尔顿海大规模开采锂矿,此举可能会彻底改变美国电动汽车供应链。

目前,汽车制造商和政策制定者正因锂等电池材料对外国的依赖发出警告。 锂元素储藏于巨大的地热矿床中,而不是水中。由于索尔顿海的锂储量丰富,政府人员已将该地区命名为“锂谷”,并专门成立一个委员会来指导开发。通用汽车已采取行动在这里投资一个新项目——与初创公司受控热资源公司(Controlled Thermal Resources)合作。

受控热资源公司首席执行官罗德·科尔韦尔(Rod Colwell)表示,在电动汽车革命到来之前,索尔顿海的锂开采在经济上并不可行。他告诉Automotive News记者说:“我们早就知道那里有锂矿,但经济成本不足以支撑投资,提取锂并建造工厂。

这一次,我们几乎可以预测未来,你所要做的就是迎接电动汽车的到来。” 据美国能源部透露,索尔顿海地区的锂年供应量有望达到60万吨,超过美国当前的需求量。目前,美国只有一个大型锂矿在运营,它位于内华达州。 “这是一个绝好的机会,让加州的天才们去解决这个关乎电气化的重要问题。”提倡清洁能源的非营利组织New Energy Nexus首席能源官丹尼·肯尼迪(Danny Kennedy)说,“如果拜登想在美国生产电池,使我们的车队电气化,这是实现规模化的唯一机会。”

 ▍索尔顿海的锂

索尔顿海地热区有一个关键优势,可以使用无碳蒸汽为采矿作业提供动力。锂悬浮在超热的液体中,这使它比传统采矿更容易从地下开采出来。事实上,该地区有11家正在运作的地热发电厂,它们提取卤水用于蒸汽生产时,已经从地下提取了锂,然后发电厂将锂和废弃的盐水一起归还了地面。

科尔韦尔说,这个项目名叫地狱厨房锂和电项目(Hell's Kitchen Lithium and Power project)——它以一个酒吧舞厅命名,因为当时萨尔顿海是一个繁荣的水上景点。该项目把一个地热发电厂和一个单独的锂开采设施结合起来。 该战略将分多个阶段展开。“基本物质是盐水,上升到大约600度,然后释放蒸汽来驱动涡轮机,之后驱动锂设施。”科尔韦尔解释这个过程时说,“我们使用离子交换技术提取氯化锂,将其转化为氢氧化锂,这正是客户所需要的。”用过的卤水再次返回地面。

受控热资源公司估计,该项目一旦完全建成,锂产能每年将达到30万吨。该公司一份报告显示,第一阶段的锂生产预计在2024年,年生产能力为2万吨。未来阶段将根据锂需求增长而安排。 “那么,现阶段全球总共年产(锂)多少?可能是38万吨或40万吨。”科尔韦尔说,“我们只需要从2万吨开始,增加2万吨,再增加2万吨,小步走路。不断复制工艺并改进,这个过程相对简单,只需要下更多的井,并继续向外延展。” 目前,制造电动汽车电池的锂大部分来自澳大利亚、中国和“锂三角”区域——玻利维亚、智利和阿根廷。

据路透社报道,锂现货价格已从2015年每吨1万美元以下,升至2021年11月的2.5万美元以上。 锂价格上涨带来的一个益处是,使美国本地化生产变得可行和紧迫,全球芯片短缺更是加剧了人们对电动汽车行业缺乏本地供应链的担忧。此外,人们还担心汽车供应过程所产生的碳足迹,这与电动汽车本应降低碳排放的目标相矛盾。

肯尼迪说:“如果美国用这样的方式实现车队电气化——用澳大利亚的硬岩石采矿,把岩石装船运往中国,在那里将它们制成电池,再把电池运到太平洋彼岸的美国,最终在美国制造汽车,那么这本身就是一个碳问题。” 受控热资源大部分合作和投资都由通用汽车和其他汽车制造商主导,科尔韦尔没有透露其他企业的名字。

今年7月,通用汽车同意与受控热资源进行数百万美元的战略投资和商业合作,旨在从加州获得低成本的锂。高效的锂采购对通用汽车至关重要,因为后者正与LG能源解决方案合作开发专有Ultium电池,并承诺到2025年投资350亿美元,用于电动汽车和自动驾驶汽车开发。

通用汽车计划到2025年,在全球推出30款全新电动汽车,其中三分之二面向北美市场。与受控热资源合作的项目,预计将在2024年生产电池级锂。 通用汽车全球电池工程和战略主管蒂姆·格雷韦(Tim Grewe)表示:“我们将多维度努力,让多平台尽快为所有人提供一切,这就是创新的一个例子。”通用汽车与受控热资源合作,通过持续创新来降低电动汽车的成本曲线。

科尔韦尔透露,受控热资源也可能从索尔顿海地热场生产其他电池材料,但当前重点是锂。不久之后,他的团队将研究锌和锰的商业化。 通用汽车计划2022年与LG在俄亥俄州Lordstown,2023年在田纳西州Spring Hill开设Ultium电池工厂。

通用汽车承诺,它将在美国再开设至少两家Ultium工厂。 格雷韦认为,随着通用汽车大规模生产Ultium车型,创建一个本地化、高品质且符合人道的供应链至关重要。 当地政界人士和社区团体表示,索尔顿海的锂不仅可以推动电动汽车行业,而且从项目中获得的税收和特许权使用费,也可以为索尔顿海的修复提供资金。

可能的修复项目包括引入水源以减少毒性,并补偿蒸发损失。 目前在探索的潜在经济项目,包括将电池装配厂建造在水域周围大面积干涸的地区。这将有助于控制携带有毒物质的灰尘进入空气的机会,同时为加州最贫困的角落带来就业机会。

肯尼迪说,这将是一个了不起的场景,地热有了,锂有了,还有一群愿意在这里工作的人。

在锂谷委员会社区委员会代表路易斯·奥尔梅多(Luis Olmedo)看来,过去经济发展的承诺只惠及少数群体,没有惠及更大社区,锂谷项目或许会有所不同。“我的期望很高,因为一切都在逐步就位,而且有州和联邦政府来推动议程,确保这是一种自下而上的方式。”他说。

该州议员爱德华多·加西亚(Eduardo Garcia)的选区从北部约书亚树国家公园(Joshua Tree National Park)一直延伸到墨西哥边境。加西亚认为,开发与锂相关的项目有助于解决人们对电动汽车供应链的担忧,为多个县提供就业机会,索尔顿海本身也会受益。 “我们终于有机会真正解决一些问题,包括索尔顿海的环境问题。这里有巨大的潜力,我们要思考的是——我们打算走多远?”加西亚说。

 ▍“血腥钻石”

钴正迅速成为电动汽车革命的“氪石”(致命弱点)。 这种有光泽的金属在1980、1990年代开发并商业化后,一直是锂离子电池的重要组成部分。但钴相对稀缺,而且大多是铜和镍开采的副产品。此外,钴需求的激增,某种程度上还助长了刚果童工的增加,以及小型矿工危险的作业环境。众所周知,刚果钴含量丰富。

目前,钴被认为是电动汽车短期和中期供应链风险最高的材料。美国能源部正在为替代能源研发提供资金,美国的钴储量并不大,钴的开采和早期加工都集中在少数几个国家。

其一,媒体对刚果儿童在骇人听闻的工作条件下辛苦劳作的报道,将这种金属变成电动汽车领域的“血腥钻石”。刚果是全球最大的钴生产国。

其二,钴的价格越来越昂贵,而且在电动汽车电池中所占比例相对较小,因此用更丰富的金属淘汰钴的时机已经成熟。

但钴的确重要。作为高能电池阴极的稳定剂,它一方面支撑相对较高的能量密度,另一方面帮助防止意外放电,导致电池火灾。 幸运的是,市场上已经出现无钴电池,对未来版本的深入研究也正在进行中。大多数汽车制造商和电池生产商都在减少新化学物质中钴的含量,以使取消钴的那一天尽早到来。

矿业预测人士表示,随着电池产量成倍增长,钴的总体需求将保持高位,替代能源将缓解供应方面的担忧。 比亚迪一直使用专有磷酸铁锂电池,这种电池在竞争激烈的本土市场成本较低。与用于电动汽车电池的钴、镍和其他金属相比,铁储量丰富。比亚迪在加州Lancaster有一家巴士工厂。

据路透社报道,特斯拉通过与电池制造商宁德时代合作,在中国制造的汽车中使用磷酸铁锂电池。特斯拉最近开始在加州Fremont工厂生产磷酸铁锂。今年10月,特斯拉宣布,将在全球所有标准里程汽车上使用磷酸铁锂,以大规模减少钴的使用。 锂铁电池的缺点是能量密度低,尽管这可以增加电池稳定性和安全性。

目前,正在开发各种高能电池与无钴化学物质。 德克萨斯大学奥斯汀分校的一个项目创造了一种无钴电池,这种电池89%是镍,其余部分是锰和铝。与目前使用的钴电池相比,该原型电池能量密度更高。该技术正在通过在休斯敦成立的一家初创公司TexPower EV Technologies商业化。

德克萨斯大学材料研究所和材料科学与工程项目主任阿鲁姆加姆·曼蒂拉姆(Arumugam Manthiram)表示,当增加镍含量,同时降低钴含量时,可以同时实现两件事——更长的续航里程和更低的全球成本。 曼蒂拉姆告诉Automotive News记者,他将继续推动电池化学成分的极限,希望达到100%镍含量。纯镍阴极需要创新,才能像钴方案一样安全。“电池都有一些安全问题,可以由电芯设计和软件来控制。”他说。

曼蒂拉姆认为,磷酸铁锂电池在成本和安全性方面是一个重要发展,但其低能量密度使它们主要适用于续航里程和价格适中的车辆。目前来看,磷酸铁锂电池不能提供500英里的续航里程,也不适用于更大尺寸的美国汽车,它们可以在部分美国车型上使用。很多电池研究受材料成本和储量程度驱动。钴相对稀缺,镍比较丰富,而铁则无处不在。 对硫的研究仍在继续。硫来自石化废料,用于阴极。也许有一天,海洋中的钠会取代锂,制造出无需采矿的电池。 电池回收也是问题的一个关键部分,曼蒂拉姆希望能减少对日益稀少的资源的疯狂掠取。“今天是钴的问题,明天可能是镍的问题,之后可能是铁的问题。”他说。

 ▍一个新方法

锂是当今电动汽车电池和未来固态电池的基本元素,在全球各地都能找到。但随着电动汽车规模化生产,汽车制造商、电池制造商和能源公司正在重新思考,在世界许多地方提取锂的方式。 根据基准矿物情报公司(Benchmark Mineral Intelligence)数据,由于锂需求激增,其价格已达到历史最高水平,自今年年初以来上涨150%。

Guidehouse Insights首席分析师山姆·阿布萨米德(Sam Abuelsamid)表示,即使电池化学成分在发展,锂仍将是电池发展的核心。 阿布萨米德认为,随着各公司对锂硫电池、磷酸铁锂电池和固态电池进行试验,贯穿这一切的共同主线就是锂。

目前从盐水中提取锂的方法,可能需要数年时间,而且需要将锂运到中国进行加工,这增加了制造电动汽车的碳足迹。 受控热资源和NeoLith Energy项目采用一种新方法——直接提取。该方法生产电池级锂的时间比现阶段的方法要短很多,可以将剩余的卤水重新返回地下,帮助电池制造商更快组装电池。

通用汽车等汽车制造商以及松下北美能源等电池制造商正在合作投资,计划测试直接提取方法。IBM全球产业部门总经理玛尼什·舒拉(Manish Chawla)认为,这些方法还可以减少锂开采对环境和经济的影响。 舒拉说:“这些公司正在花时间设计他们的供应链,确保来源,同时也考虑到环境问题。如果今天就考虑到电池材料的来源和可回收性,而不是等它达到石油和天然气那种规模之前……我会乐观地认为,这些问题早期就能得到解决。”

NeoLith Energy项目运营经理理查德·莫里森(Richard Morrison)表示,传统锂矿的蒸发过程可能需要18至24个月,通过直接提取,电池级锂可以在几天或几周内得到。 受控热资源公司计划从索尔顿海的盐水中提取锂。通用汽车计划在2024年投入数百万美元,并与受控热资源公司进行战略合作,以获取低成本的锂。使用受控热资源公司的新方法,提取两小时后就能生产出电池级锂,原因在于,其系统内置了处理功能。 格雷韦说:“如果真的达到预期目标,并且伴随进一步合作和创新,这可能会成为我们最好的投资项目之一。” 具体如何运作?

第一步,受控热资源公司将索尔顿海地下深处的盐水通过汽轮机冷却。

第二步,将盐水分离成蒸汽和浓缩物。

第三步,蒸汽为汽轮机提供动力,将未使用的盐水返回到地下。

该公司首席执行官科尔韦尔表示,剩余的盐水和蒸汽产生电池级碳酸锂,这样的循环不断重复。 传统的锂矿开采需要将地下的盐水,泵入蒸发池中18到24个月,这样锂才能被加工。而通过直接提取方式,锂直接从盐水中提取,其余的则返回到地下。 直接提取方式比蒸发池对环境的影响要小。而且,蒸发过程只能开采一半可用的锂。莫里森说,这种直接方法可以提取约90%或更多。

NeoLith Energy项目正准备在内华达州Clayton进行直接提取试验,这里距离松下大型先进电池制造工厂200英里。试点计划明年年初开始,大概进行6到9个月。 该项目已经与松下合作进行验证和优化。NeoLith Energy设施将生产可用于阴极的电池级碳酸锂,莫里森预计,未来40年,Clayton工厂将提供大量的锂。

▍保时捷任务

电动汽车生产过程中,碳排放最密集部分是电池生产。例如,建造一辆保时捷Taycan过程中,约40%排放来自于电池制造过程。 为减少这个过程的排放,保时捷正从多个角度关注电池制造过程——要求供应商使用可再生能源;原材料采购本地化;开发更节能的电池化学物质。 对保时捷来说,这项任务迫在眉睫。 受欧洲和中国收紧排放法规的推动,保时捷设定到2030年实现碳中和的目标。为达到这一目标,它正在加速产品阵容的电气化——从四门Taycan掀背车开始。 明年,保时捷将推出Macan紧凑型跨界车的电池驱动版。

更长远看,保时捷希望使其Boxster跑车和中型跨界车卡宴电气化。 电动汽车生命周期中,几乎有一半二氧化碳排放量产生于制造阶段。这其中,大多与原材料提取和加工有关。 将这些原材料(通常要跨越半个地球)运到电池厂,再运到汽车装配厂,进一步增加了排放足迹。 就保时捷而言,其供应链排放的温室气体占该公司总排放量约20%。到2030年,随着更多生产转向电动汽车,这一比例可能上升到近40%。 作为应对措施,保时捷正向供应商施压,要求他们只使用可再生能源生产电池和其他部件。

长期看,保时捷不再考虑与那些不愿转向绿色能源的供应商签订合同。 电池生产中,一个主要排放源来自于镍和钴等原材料加工过程。保时捷高级经理本家明·帕森伯格(Benjamin Passenberg)表示,相关冶炼和净化过程非常耗能。“拥抱绿色能源非常重要,尤其是在电池生产中,因为需要大量能量熔炼。” 保时捷树立了榜样。未来10年,它将超过11亿美元投资用于脱碳措施,包括减少装配厂的二氧化碳排放。例如,在斯图加特Zuffenhausen工厂生产的Taycan,自投产以来一直是碳中和。

但仅仅使用绿色能源生产电池,还不足以满足保时捷雄心勃勃的排放目标,还需要对电池进行重新设计。保时捷正在开发一种电池——可以储存更多能量、充电更快,而且碳足迹更轻。 这项电池技术依靠在锂离子电池中使用更多的硅作为阳极材料,而不仅仅是通常使用的石墨。

保时捷电动汽车部门负责人奥特马尔·比切(Otmar Bitsche)表示:“理论上,硅阳极的能量密度约为石墨阳极的10倍。我们预计,与传统锂离子电池相比,每升电池容量大约多出20%到25%。” 这种高效电池意味着汽车所需电芯更少,从而减少电池组的总体重量和面积——这也是电动汽车的一个关键要求。

与圆柱形电池设计相比,这种新型设计的软包电池减少了铝外壳材料,环保方面也可持续。铝生产是碳排放的主要来源。 值得注意的是,新电池的钴含量将低于典型的锂离子电池。帕森伯格说,钴很难找到来源,全世界只有少数几个矿场。 Taycan的电池中,钴占阴极材料的20%。

保时捷希望新技术可将钴含量减少到5%到10%。 为进一步减少排放,保时捷将从靠近新电池生产地点的欧洲工厂采购钴、镍和其他电池原材料,这靠近保时捷Weissach开发中心。比切说,从德国施瓦兹海德(Schwarzheide),而不是中国购买阴极材料,可以减少25%的二氧化碳排放。

保时捷希望在2024年底或2025年初,实现高性能电池商业化。计划中的工厂目标是,达到最低年产能100兆瓦时——足以供应1000辆汽车。 最初将应用在赛车领域。这一领域,高性能和快速充电能力将受到重视。“我们通常需要两到三年时间来完成向量产车型转移,因此,这款电池可以在2030年前使用到汽车量产中。”比切说。

(本文部分内容综合Automotive News报道,部分图片来自网络)

声明:本文为OFweek维科号作者发布,不代表OFweek维科号立场。如有侵权或其他问题,请及时联系我们举报。
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