丰田、特斯拉已入场布局,电动车锂电池淘金热已箭在弦上 | 独家

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百家号03-1015:24

“电动车很火,但投资电池原材料更赚钱”,这句话可说是近期热门的话题之一。过去几个月中,不论是钴(Cobalt)还是镍(Nickel)的价格都大幅上涨,特别是钴。根据伦敦金属交易所(LME)资料,去年 3 月每吨钴的现货价大约在 51000 美元,12 个月过后,日前价格已经冲破每吨 83000 美元。镍的价格同样在一年内上涨不少,从每吨 1 万美元左右来到现在的 13500 美元。

图|钴价日前已经涨到每吨 83000 美元

图|过去 12 个月镍价格一路上涨

一项产品的价格起伏往往取决于供需关系,钴、镍的价格飙涨,一大原因来自于电动车的火热。在全球政府力挺电动车的带动下,预计之后几年的电池原材料市场也将一路上涨,再加上电动车产业不断追求提高电池能量密度——三元锂电池的主流地位已经确立,而“钴”、“镍”又是三元锂电池的必备原料,就促使了这一波金属价格的走扬。

在供给面,虽然钴、镍、锂较不存在稀缺性的问题,但仍难避免人为因素造成的风险,钴的主要产地在刚果,供应了世界钴矿生产量的 50%以上,受到当地政治情势复杂,以及矿工人权、童工争议等影响下,使得供应不确定性的疑虑升高,因此在需求上涨、供应有疑的双重因素推升下,锂电池金属的价格创下近年来的新高。

图|钴的主要产地,刚果供应了世界钴矿生产量的 50%以上 资料来源:美国内政部地质调查局(USGS)

有业界人士向 DT 君表示,钴价持续高涨,已经有企业出现不履行合约价格交易的情况发生,买方必须用现货价才能买到。其实,去年钴、镍价格大幅上涨后,汽车公司就展开了电池原材料的资源保卫战,找上矿商谈长期供应合约,但价格始终谈不拢,一直到今年消息也陆续被披露,今年 2 月宝马宣布接近达成电池金属锂和钴的长期供应合同,特斯拉也被曝出与智利锂矿巨头 SQM 展开谈判。

但紧张的不仅是电动车企业,DT 君在去年底就曾报道,电动车的锂电池需求强劲,在产能有限的排挤效应下,使得 3C 产品的电池供货也受影响,而苹果为了确保有可靠的供应来源,首度主动找上矿商,有意洽谈签署“钴”的长期采购合约。不论是宝马、特斯拉,还是苹果都直接跟矿商接洽,建立战略联盟,就不难看出这些电池金属原料需求的火热程度。

电动车锂电池汰换潮从今年启动

平心而论,尽管电动车需求良好,但还无法构成非常大的规模,电池金属的大涨难免有人为操作的因素在里头搅和,不过,有利可图的生意,自然有人想做,受到钴、镍价格大涨的激励下,电池回收已成为前景看好的生意,特别是电动车的锂电池正从今年开始步入汰换期。

“一吨的废电池回收价格已从去年下半年的 1700~2500 美元,拉高至目前的 3000~3500 美元,”专门研究能源的调研机构 EnergyTrend 资深研究经理吕理舜对 DT 君说。不过,旧电池回收价落差很大,价值取决于电池用的原料比重、剩余容量而有不同。

一般来说,电动车的电池保固期大约是五年,因此第一波售出的电动车,其电池的寿命已经开始走向尽头,业界普遍认同,2018 年是新能源汽车动力电池退役潮的开始之年,电池替换的需求将陆续浮现,到了 2019、2020 年将进入一波替换高峰。

也就是说,未来有越来越多的电池准备退役,从旧电池中回收钴、镍、锰、锂等金属,赚取淘金财,就成了车厂、电池厂、回收企业很有兴趣的商机,像是重要电池芯供应商的三星,不久前就表示打算回收已经不堪使用的锂电池,从中萃取钴等关键材料,并且将投资资源回收商,签订长期供应合约。

实际上,中国在此领域极具潜力。作为世界领先的精炼钴生产国,同时也是重要的电池生产大国,像是宁德时代、比亚迪都是全球排名前五大的电池厂商,主要的电池材料回收企业包括格林美、邦普、江西赣锋锂业、豪鹏、金源新材等。

全面冲刺高镍电池

面对不断升高的钴价成本,据了解,电池芯企业已经按耐不住,预计今年第二季电池芯就会出现价格调涨的状况,以反映成本上涨的问题,同时,电池芯企业也全面往高镍电池发展,目前中国的电池厂在镍锰钴(NMC)电池的主流配比是 5:3:2,将转为 6:2:2,而韩系电池厂如三星的 SDI、 LG Chem 的主流配比是 6:2:2,将进一步拉高到 8:1:1。

“降低钴的比重,拉高镍的用量,除了解决钴售价很高的问题外,还有一个重点,就是用越多镍可以提升电池的能量密度,往高能量密度(>200Wh/kg)产品推进,符合汽车企业追求的方向,”吕理舜说。

不过,高镍容易吸水,因此如何克服吸水问题,就考验各家电池厂的制程能力。正因为电池厂已经全面启动了往高镍升级的计划,全球排名前二的镍生产商、俄罗斯采矿商 Norilsk Nickel 日前就公开对外表示,预测到了 2025 年,电池业界一年将消耗超过 50 万吨的镍。

治标与治本的同时并进

从环保立场上来看,电池回收无疑是重要的课题,在法令的督促下,企业也必须制定一套机制,欧盟在 2008 年规定“生产者”必须负担使用过的电池回收、处理以及循环的成本,此处的生产者是指生产最终产品的生产者,就配备电池的电动车来说,也就是“车厂”有义务收回配备的电池。不过,因为回收的量小,车厂多半就交办给电池供应商来负责。

随着电动车发展多年后,越来越多电动车电池的保固时期已经进入尾声,随着电池寿命年限陆续到期,再加上电动车销量逐渐增加,汽车企业不得不重视后续的电池回收问题。今年 2 月底,工信部、科技部、环境保护部、交通运输部、商务部、质检总局、能源局七部委联合印发《新能源汽车动力蓄电池回收利用管理暂行办法》,也明确规定动力电池的回收主体责任人是汽车企业。

目前,车厂多采取与电池企业或回收企业策略联盟的方式,像是 Nissan 与多元化动力管理公司 Eaton 合作,回收旗下电动车报废电池,并转化为固态能源储存装置。而丰田(Toyota)则是投资了镍冶炼厂住友金属矿山 (Sumitomo Metal Mining),合作回收电动车电池中的镍。

另外,特斯拉则是积极打造能源一条龙的策略,不仅自己盖电池工厂,供电动车使用,旗下还具备其他的储能业务,而且 Gigafactory 1 已经建立了一个回收设备,研究将回收的电池进行二次利用,例如转到储能系统上。

去年 5 月特斯拉联合创始人兼 CTO,同时也是特斯拉重要的电池专家 JB Straubel,携手特斯拉特别专案负责人 Andrew Stevenson 成立了 Redwood Materials 公司,就是专攻材料的回收和再制造,也被视为是特斯拉布局电池回收的一招,合理推论马斯克想做的是从制造、销售、回收、再制造的产业闭环。

图丨 Donald Sadoway

DT 君也采访 MIT 材料科学与工程系教授,也是液态金属电池之父的 Donald Sadoway,询问他对于汽车锂电池回收的看法时,他直言:“目前的电池回收其实很不实际”,一是回收的成本太高,因为锂电池的架构设计很复杂,回收难度不低,二是回收提炼金属的纯度,如航天业就不会采用回收的金属。不过,台湾工研院材料与化工研究所组长陈金铭则对DT君表示,回收电池提炼金属的纯度问题并不是太大,因为有些行业或商品并不需要用到高纯度的金属。像是纯度较低的锂可供陶瓷、玻璃工业使用,品质较差的镍则会用于生铁(pig iron)。

Donald Sadoway 进一步说:“最好的做法就是改变电池的设计结构,而且当汽车企业在车款最初设计阶段时,就必须考量到电池回收,后续执行才会有更好的效率。”

也就是说,想要解决汽车锂电池回收问题,不仅治标也得治本。目前,电池及汽车产业也都希望开发新的技术,例如全固态电池就是一例,包括宝马、以丰田为首的日本厂商都已投入了全固态电池的研发,但因为全固态电池的有两大难度待克服,一是锂离子的传导速度,二是界面阻抗,因此预期最先出现的将是类固态电池,也就是仍使用少许液态电解质搭配固态电解质使用,乐观预估最快可能在 2020 年就能问世。

所有人都逃不掉的环保问题

实际上,过去锂电池主要应用在 3C 产品如笔记本、智能手机、平板电脑,为什么以前 3C 锂电池的回收不如汽车锂电池来得引人关注,症结就在于“时间点”跟“规模”。

电动车为一般民众广为所知晓大概是近十年的事,比起一般燃油车,现阶段真正在路上跑的电动车仅占现今市场上的一小部分,而且当电池还在保固期内自然就不须替换,因此早几年前,市场上并没有汽车锂电池的回收需求。

一般智能手机电池多是锂聚合物电池,使用单颗电池芯,笔记本使用 6 或 8 颗电池芯,而一台电动车大约平均会使用 5000~6000 颗电池芯。而每支智能手机电池的锂大约只有 1~2 克,但汽车电池的锂金属至少就有 5 公斤,每支手机锂电池的钴约为 8 克,而每台电动车所含的钴就是手机的数千倍之多,因此,当量的规模放大好几百倍之后,特别是现在钴、镍、锂的价格都在高档,有价金属的再利用自然很吸引人。

淘金商机虽是企业才能淘到,但汽车电池的体积庞大,后续的安全与环保考量,才是所有人都必须面对的环保问题。锁定锂电池回收的加拿大公司 Li-Cycle CEO Ajay Kochhar 就曾表示,“如果电动车一如预期发展的话,到了 2030 年,我们就会看到 1100 万吨的废弃锂电池。”这也就是为什么电动车电池回收变得重要了起来。

锂电池有四大关键元素,分别是正极材料、负极材料、隔离膜以及电解液。使用不同正极材料的电池有其特性,适用于不同的应用,例如锂钴材料(LCO)的优点是效能好,磷酸铁锂(LFP)则是生命周期长及相对安全,但能量密度低,而电动车的主流技术三元锂电池,则是使用镍锰钴(NMC)、镍钴铝(NCA)。

当锂电池走向寿终正寝时通常有两个途径,一是再利用,二是材料回收。

电池经过多次、长年使用,总会劣化,通常电池企业在设计时,当电池蓄电容量掉了 70~80%,系统就会切断而无法再继续使用,不过,锂电池里头还是剩余的容量,(这也就是为什么电池不能乱丢,可能引起燃烧、爆炸的危险),所以回收企业收回、拆解这些旧电池,检查里头的单元模组(unit module)是否再应用到其他领域,例如家用或产业用固定位置的储能设备(ESS,Energy Storage System)等,这就是再利用。

过去锂电池大多是再利用而非回收,但随着金属材料价格持续攀升,越来越多企业开始觊觎此块市场。

对此,陈金铭表示,回收技术可简单分为干式和湿式。干式有机械分选法,主要是利用电池不同成份的密度、磁性来进行,通过压碎、分筛将不同有用的金属材料分离。

另外,率先投入研究车辆锂电池回收技术的知名企业 Umicore 提出的热解(Pyrolysis),也是另一种干式法,顾名思义,通过熔化电池材料来获得金属。先将电池放电,切碎后放进一个已加入石灰石作为造渣剂的炉中进行熔炼。先缓慢加热废电池,降低爆炸风险,让电解质蒸发。之后进入温度较高的区域,电池中所有的塑料和有毒溶剂都会燃烧,通过冷凝将不同密度的金属分离出来。优点是在高浓度和相对清洁的合金中,热解法可以很有效率回收镍、钴和铜。同时,热解已经可以实际应用在工业规模,是一种成熟的冶金技术。

而湿式法主要就是使用化学溶液来分离电池中的化合物,例如水热法(hydrothermal),水热法的定义是通过酸反应让金属沉淀。先通过机械方式拆解电池,阴极材料被粉碎后,加入某些溶剂或酸剂就会溶解电池中的粘合剂,而留下金属氧化物悬浮在溶液中。目前,国际上以湿式法开发锂电池材料回收方案的企业包括美国的 Toxco、日本的日鑛金属。

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