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镍在新能源电池技术中的应用



目前,电动汽车市场有望成为锂离子电池最大、最主要的市场。尽管价值链中所有参与者都强烈希望增加电动汽车销量,但由于较高的购置成本和里程焦虑、充电站的匮乏和消防安全隐患等问题,电动汽车的快速普及受到阻碍。为降低能源消耗和减少温室气体排放,世界各主要国家都在推广电动汽车(EV)。而“镍”能够显着提高锂离子电池的能量密度,使得高镍锂离子电池成为当前电动汽车的首选技术。

汽车工业中的电池回收

  锂电池行业正在对研发和新生产设施进行大规模投资,这与电动汽车(EV)的开发直接相关,由此导致了电池主要化学成分的变化。混合动力电动汽车(HEV)一般采用NiMH电池,而插电式混合动力电动汽车(PHEV)和纯电动汽车(BEV)采用锂离子电池,因为这类电池具有较高的能量密度及其他优良的性质。

  一旦PHEV和EV进入大众市场,将对电池回收行业产生巨大的影响。电池回收公司正在投资建设更大规模的回收设施,以便对从这些车辆中回收的锂离子电池进行处理,从而为满足未来需求做准备。当电池性能下降到车辆的容许使用水平以下时,电池可能仍然适合在电力储存领域二次使用。最终,电池性能不足时,需要对其进行处置。对电池进行回收一方面是为了保护环境,另一方面是因为其中含有宝贵的可回收材料。电池回收的经济诱因是电池阴极所采用锂金属氧化物的价值:钴、镍、锰及其组合,还可能含有磷和铁。、铝和钢也是单元电池结构的成分。电池属性随阴极材料而变,而且采用了多种不同的化学成分。

  锂离子电池中重要的阴极材料是镍锰钴(NMC)和镍钴铝(NCA),其中镍化学物质的含量为33%~80%。NMC在多种装置和电动汽车中使用。NCA在特斯拉汽车的18650块松下单元电池中使用,在其他电动汽车中还与锂锰氧化物(LMO)混合使用。其他主要的阴极材料为LiCoO2、LiMn2O4和LiMPO4。

  但所回收单元电池材料的价值因阴极组成和回收工艺而异。如今的大多数锂离子电池都采用以氧化钴为主的阴极,而元素钴的回收推动了工艺经济研究。采用目前的方法回收含钴量较低的电池(例如为车辆开发的很多种电池)吸引力不大,但正在开发全新回收工艺来回收阴极活性材料(包括其中所含的锂),这些材料可以在电池中重复使用,而且价值比其组成元素高得多,但必须保证回收材料的质量。

  在技术进步的同时,电池行业的监管环境也在不断变化和收紧。欧盟电池指令目前处于审查阶段,其中规定电池必须进行回收。中国颁布的法规规定汽车电池的回收责任由汽车生产商承担。目前,美国没有关于电池回收的统一法规,而现行法规都是由州一级制定的。预计世界各国将制定更多相关法规。

  由于收集系统面临的难题,估计目前只有10%左右的旧锂离子电池进入收集系统并最终被回收,而这些电池大多来自各种便携式电子产品。

  目前收集并回收的其他电池主要是NiMH电池,包括来自HEV的电池,其中含有23%镍、4%钴、7%稀土金属、36%钢、18%塑料、9%电解质、2%其他金属和1%聚四氟乙烯(PTFE)。丰田普锐斯是全球销量遥遥领先的HEV,丰田也致力于采用NiMH电池,因为它被视为一种成熟而可靠的电池技术。考虑到过去五年内HEV的年销量为150万~180万辆而电池使用寿命为10年,需要回收的NiMH汽车电池数量仍在不断增长。

  全球PHEV销量达到25万辆,其中,中国独占鳌头(份额为29%),这是因为颁布了强有力的激励政策。激励政策也使中国成为电动汽车的领先市场。2016年,全球电动汽车销量约为50万辆,其中中国占全球55%的市场份额。业界预计未来五年的销量将继续攀升,这意味着电池回收公司将在未来几十年内处理越来越多的锂离子电池。

镍和钢在电池中的协同效益

  镍在如今市场上的很多电池系统中发挥着重要作用,为我们的生活提供便利,而且让我们不再为寻找电源插座而烦恼。

  但无论电池的化学成分如何,镍在电池生产中还发挥着一种鲜为人知但十分重要的作用——与钢结合在圆柱形电池壳和保护盖中使用。这种镀镍钢结构保证了电池电能在需要时能高效地转移到装置中。

  圆柱形电池壳强有力地保证了电池的完整性。钢的强度可以适应充电(放电)期间的体积膨胀和收缩,而圆柱形镀镍钢电池壳在一次性和可充电电池系统中应用广泛。

  在钢带的顶面和底面电镀几微米的镍可以形成较低的接触电阻。塔塔钢铁电镀公司通过最先进的镀镍生产线完善了该项技术。电镀后对线圈进行热处理。这种处理减小了接触电阻,增强了后续高速制壳工序的附着力。除电气特性外,镍还能对电池内部的腐蚀性碱液进行良好的腐蚀防护,从而抑制了让结构在寿命内承受巨大压力的析气现象。

  生产电池壳时,厂家采用高速精密冲压机通过多个拉伸工艺改变钢带的形态。然后,制成的电池壳被运送至全球各地的电池生产商。

  除深度拉伸和电池性能中的优良特性外,镍还在电池装配中发挥了重要作用,因为它表现出优良的焊接特性。

  “虽然人们对电池习以为常,但无论怎么强调镍和镀镍钢在各类电池系统性能和可靠性中发挥的作用也不为过。”塔塔钢铁电镀公司商业创新主任Marcel Onink博士说道,“如今,用于碱性电池的数量最大。但未来随着电动汽车的强劲增长,预计这个成功的组合仍将继续发光发热。无论电池的最终化学成分是什么,其包装都极有可能采用镀镍钢这个经过验证的概念。”


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