Nickelvol32no1may2017 ch fb

地下电池提高 矿 井 安 全 性 网下电池储能

专 注 于 镍 及 其 应 用 的 杂 志

电池技术 过去、现在和未来镍的使用

2017年5月刊，第32卷第1期

电 网 管 理 － 需 求 和 响 应

阳光动力号｜MERZ｜REZO.CH

阳光动力号｜REVILLARD｜REZO.CH

案例研究09

2014年阳光动力2号在试飞期间飞越瑞士 2014年阳光动力2号在试飞期间飞越瑞士

阳光动力2号 阳光动力2号（Si2）不耗费一滴燃油完全凭借储存的太阳能昼夜连续飞行环航世界， 在挑战不可能的同时创造了历史。项目共同发起人贝特朗・皮卡尔和安德烈・波许博格 在单座飞机驾驶舱中轮流驾驶，分17站共飞行43,041公里，横跨亚洲、太平洋、美国、大 西洋、地中海和中东地区。 皮卡尔和波许博格在设计飞机时知道必须设计一架超轻型飞机，拥有足够大的翼展 以减小空气阻力，足够宽的表面以容纳足够多的太阳能电池，从而储备夜间完全依靠电 池飞行所需的能量。 “飞机结构采用最先进的技术，而且激发了复合结构、轻型材料、 电力推进以及能量管理和储存方式领域的科学研究，”安德烈・波许博格说道。 波许博格从日本跨越太平洋连续五天五夜飞行至夏威夷，创造了新的记录。贝特朗・ 皮卡尔则完成了驾驶太阳能飞机横跨大西洋的创举。他们共创造了由国际航空联合会 （FAI）已经确认或正在确认的共计19项世界记录。 “我们必须最大限度地利用每一分太阳能并将剩余能量储存在电池中。我们想尽一切 办法来提高能量利用效率，” 波许博格说道。 Si2的电池采用了柯卡姆有限公司研发的先进超高能锂镍锰钴氧化物（NMC）电池 技术。选择这款电池是因为它具有高能量密度和效率，而且能在大范围内的温度、湿度 和压力条件下使用。 Si2有四个由17,248个150安时太阳能电池组成的38.5千瓦时超高能NMC电池组，总共 能产生11,000千瓦时的电能并储存154千瓦时的能量，其中所产生电能的很大一部分储 存在NMC电池中，在夜间通过放电驱动飞机航行。 超高能NMC电池的能量密度高达每千克约260瓦时（Wh/kg）。由于能量密度极 高，Si2可以在不增加重量或尺寸的情况下储存更多的能量。另外，电池的能量利用效率 高达9 ％，这意味着电池充电或放电时的能量损耗较少。

2 《镍杂志》案例研究

 2014年阳光动力2号在瑞士佩耶纳的 机场中

阳光动力2号基本资料： ・ 17,248个太阳能电池嵌入双翼中向四个 电池组供电（每个电池组38.5千瓦时 ， 再依次驱动四台电动引擎（每台13.5千 瓦）和螺旋桨 ・ 碳纤维制成的单座飞机 ・ 非加压、非加热驾驶舱，体积为3.8立 方米 ・ 翼展：72米 （大于波音747飞机的翼展：68米） ・ 长度：25米 ・ 重量：2,300千克 （相当于较大的家用轿车） ・ 巡航速度：45-55公里／小时 （在海平面上为25-30 KIAS（指示空速） ・ 最大海拔高度：8,500米飞行高度： 280（28,000英尺） ・ 推进系统的效率为93％，即只有7％的能 量损耗

《镍杂志》，第32卷第1期，2017年5月刊

LILIBOAS

《镍杂志》，第32卷第1期，2017年5月刊

关于镍及其应用的专业杂志

ISTOCKPHOTO.COM

《镍杂志》由国际镍协会出版 www.nickelinstitute.org 总裁：David Butler 编辑：Clare Richardson 撰稿人：John Chapman、Parul Chhabra、 Gary Coates、Peter Kelly-Detwiler、Carly Leonida、 Geir Moe、Kim Oakes、MarcelOnink、 Kristina Osterman、Nigel Ward 设计：Constructive Communications公司

未来能源前景

国际镍协会的联系方式：

无论从哪个角度来看，电池市场都在不断发展。对气候变化的担忧、对能量效率的追求

比利时布鲁塞尔（1040）Rue Belliard 12号

和对政府制定的二氧化碳排放目标的达成都有助于混合动力汽车和电动汽车的推广。

电话：+32 2 290 3200 communications@nickelinstitute.org 本杂志所含资料供读者一般参考之用，未取得专业意见 之前不应针对特定应用采用或将其作为依据。虽然本杂

除此之外，人们对涉及电池和能量储存的可再生能源技术表现出更大的兴趣，而且全球 消费者需要蓄电更持久的电池来驱动电子设备、智能手机和电动自行车。这是一个瞬息 万变的时代！

志所含资料据信在技术上是正确的，但国际镍协会及其 会员、工作人员和顾问并不声明或保证其适用任何一般

3%

7% Mid-Ni NCA 10% NMC

ISSN 0829-8351 Hayes印刷集团在加拿大用再生纸印刷 封面设计：Constructive Communications公司 封面图片：Constructive Communications公司

目录 案例研究 阳光动力2号 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 聚焦 社论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 专题报道 电池的过去、现在和未来 . . . . . . . . .4-5 镍的重要性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 电池储能为电网供电 . . . . . . . . . . . . .6-7 需求侧响应系统 . . . . . . . . . . . . . . . . .8-9 电池回收 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10-11 镍的应用 地下采矿 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12-13 用于电池的镀镍钢 . . . . . . . . . . . . . . . 15 雪佛兰Bolt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16 简述 太阳能的储存. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14

Low-Ni NMC 19%

High-Ni NMC

LMO 13%

LCO 25%

LFP 22%

Mid-Ni NMC 18% 13% Low-Ni NMC

High-Ni NMC 18%

NCA 9% LMO 12%

LTO 1%

LCO LFP 15% 14% LTO 1%

2016 2016年：含镍量39％

2025 2025年：含镍量58％

NMC: 镍锰钴 NCA: 镍钴铝 LFP: 锂铁磷酸盐 LCO: 锂钴氧化物 LMO: 锂锰氧化物 LTO: 钛酸锂

资料来源：ROSKILL

含镍锂离子电池份额的增长

或特殊用途，也概不承担与这些资料有关的任何责任。

电动汽车（EV）目前在全球汽车产量中只占很小的一部分，但其份额在不断增长。虽 然各界对电动汽车的增长预测各不相同，但都认为其显示了强劲增长的趋势。目前，道 路车辆中EV的比例低于1％。最近的估计表明到2025年，这个比例将增至7-11％，而且很 多电动汽车是由含镍锂离子电池驱动的。 新含镍电池技术也注定在可再生能源项目相关的能量储存系统中占据一席之地。风 力发电机或太阳能电池板可以在有风力或阳光时发电，而且电池技术也实现了能量储存 和按需使用。 作为多年来被人们反复谈论的电力系统未来重大技术的推动者，主要国际品牌（例 如日产和特斯拉）也开始参与进来。特斯拉于2015年初宣布凭借带有镍合金阴极的锂电 池进入能量储存市场。 在本期《镍杂志》中，我们将考察电池技术的过去、现在和未来以及镍的作用。由于 该主题内涵丰富，本期的大部分篇幅都与之有关。其中的情形十分复杂。不同的应用需 要不同的技术，没有哪一种电池技术能够始终适用。镍在电池中的应用已有一个世纪以 上的历史，而且在可预见的未来其仍将继续在这个迅速变化的行业中发挥重要作用。

抗震桥 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14 网站链接 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

Clare Richardson 《镍杂志》编辑

《镍杂志》，第32卷第1期，2017年5月刊

《镍杂志》聚焦 3

除非另有说明，则图片来自维基百科共享资源网

v 1 748年 连续电流电池诞生： 伏打电堆 亚历桑德罗·伏特 －意大利

1799年 w 连续电流电池诞生： 伏打电堆 亚历桑德罗·伏特 －意大利

v 1 859年

从铅酸电池到锂离子电池，电池在过去50年左右经历了巨大的

可充电电池诞生铅酸

转变。当时，电池的应用范围十分有限：起动汽车以及为玩具、

加斯顿·普兰特

遥控器和手电筒供电。铅酸电池一直是汽油动力汽车的首选，

－法国 ©2017年，大英百科全书公司版权所有

电池： 现已尚佳、 未来远胜 而家用设备一般依靠碱性电池供电。 随后诞生了镍基可充电电池：镍镉电池（NiCd）和更持久的 镍金属氢化物电池（NiMH）。这些电池改变了我们的工作和生

1899年 w

活方式，可以为电动工具和早期的数码相机供电。NiMH从上

镍镉电池诞生

世纪90年代中期开始迈出一大步，进入了交通运输领域，作为

瓦尔德马·琼格纳

丰田普锐斯混合动力汽车的支持技术。这个转变永久性地改

－瑞典

变了驱动技术，催生了如今的电动汽车。但能量密度仍未达到 人们对汽车、工具、相机及其他新兴设备的需求。 v 1 959年 碱性电池诞生

锂离子电池的诞生 锂离子电池（Li-ion）于1991年投入商业应用（其中大部分型

路易斯·厄里

式含镍），包括早期的便携式摄像机和如今我们使用的智能手

－加拿大

机、笔记本电脑以及其他便携设备。锂离子电池还被引入到了 下一代汽车，因为其超高的功率密度对于车辆的长距离行驶至 关重要。

1967年 w

半个世纪以来，我们从电池主要处于边缘地位的时代过渡

镍金属氢化物电池发明

到了电池处于核心地位的时代――全天放在我们的口袋和钱包

巴特尔·日内瓦

里（有些人的体内甚至植入了电池，例如心脏起搏器）。只要在

－瑞士

机场候机室里张望一下，就会发现人们经常在到处寻找电源插 座，这足以说明电池在我们的日常生活中有多么重要了。 v 1 980年 锂离子氧化钴阴极诞生 －美国

镍的未来短期前景看好 对于很多技术而言，使用得越多，改进的需求就越强烈。电 池也不例外。我们希望手机和笔记本电脑充一次电后就可以使 用好几天。我们希望电动汽车开得像加满汽油的汽车一样远（ 只要不到十分钟就能‘加满’）。我们也越来越希望电池为复 杂的大规模电网提供支持。

2014年 w

我们希望电池更轻盈、密度更大、更强劲、充电更快。这样就

锂离子固态电池诞生

产生了一个问题――我们怎样才能获得这样的电池呢？这是否

－美国

需要对现有技术不断改进？还是即将有革命性技术诞生？如果 是的话，那么需要多久才能等到？

4 《镍杂志》专题报道

《镍杂志》，第32卷第1期，2017年5月刊

们实现了几年前无法实现的化学性质研究方法。高性能超

未来远景扑朔迷离 首先，我们来考察一下现有锂离子电池化学性质的改

级计算可以让我们每秒进行千万亿次计算，在虚拟世界中

进。一个趋势是向镍锰钴阴极过渡，这种阴极的能量密度

将各种元素组合成化合物并快速进行性能检验。它们能否

更高且单位能量输送成本较低。另一个趋势是向超密集锂 空气电池过渡（特斯拉拥有该领域的专利，而其他研究者 也取得了巨大的进展）。同时，随着供应链效率的提升（以 及中国量产能力的提高），锂离子电池的成本继续显著下 降。很多观察员预计未来几年内成本将下跌50％之多。

传输光和电？它们是否易于成型或脆裂？虚拟化合物可以在 真实世界中被转化成实际化合物并做进一步测试。研究者 认为现在可以将产品投放市场所需的时间缩短一半。 更先进的电池技术

但未来远景扑朔迷离：下一代革命性的锂电池会是什么

预计超级计算机将在未来五年内开始进行‘假设’计

样子？如果真的发生的话，它们从哪里来，又将在什么时间

算，从而实现与人类似的推理，且该类推理数量也更多。

到来呢？一个可能的选项是更安全、密度更高（同等体积下

正如美国能源部在一份研究和技术综述中提到的那样， “物

能量密度最多提高一倍）、更持久但目前价格高昂得多的固

理理论、先进计算机模型和广泛材料属性数据库将结合起

态电池。这类电池很可能需要在某些设备中站稳脚跟才能

来，通过优化成分和加工方式来形成预期结构和性质，加

实现规模效益并推动降价。这类电池可能还需要4-5年的时 间才能应用于智能手机之上。 锂硫电池是另一个选项，其能量密度比锂离子电池高出 四倍而且材料成本较低。虽然正在取得进展，但仍有重大 的技术和安全问题需要解决。

快设计出性质适合特定应用的新材料。” 这有望大大加快新电池技术投放市场的过程。未来十年 内很可能会诞生先进得多的电池技术，尽管它们的基础技 术可能现在仍不明确。 最近几十年里，镍在支持电池供电的生活应用方面发挥

电池创新进程将加速 长期以来，电池技术与材料科学息息相关，即需要对元 素周期表中的各种元素加以组合并进行性能检验。如今，我

了关键作用。在可以预见的未来，镍仍将继续发挥这种作 用。

可充电电池技术中镍的重要性 电池 组是一种由一个或以上电化

子就会流动。电池供电时，且与外部电

学单元电池组成的装置，它包含两个

路连接后，阳极作为电子源会流动并

电 极― ―阳极和阴极― ―以及电 解

向外部装置供能。

质。两个电极通过电通 路相连时，电 

锂离子（NMC）可充电电池的放电 机制

电解质能够以离子的形式在其中 移动，从而在分离的电极上完成化学 反应并向外部电路供能。正是电池内 离子的移动让电流从电池中流出并提

Li+

Li+

Li+ Li+

供电力。

电流

Li+Li+

Li+

Li+Li+

Li+

Li+Li+ 电解液

LiCC+Li + e +

-

Li +MO2 + e LiMO2 +

-

《镍杂志》，第32卷第1期，2017年5月刊

锂金属氧化物（阴极）

层状石墨（阳极）

电子

电池根据电极能否再生、电池能否 充电分为两类：一次（一次性/用完即 丢）电池和二次（可充电）电池。 二 次（ 可 充 电 ）电 池 有 多 种 不 同 型 式，例 如 汽 车中常见 的 铅 酸电 池、NiCd（镍镉电池）、NiMH（镍金 属氢化物电池）和L i-ion（锂离子电 池）。在很多二次电池（包括锂离子电 池）设 计方案中，镍是一种必需的阴 极成分，如下表所示。

电池类型

阴极

阳极

碱性电池（P）

二氧化锰（MnO2）

锌

碱性水溶液

铅酸电池（S）

二氧化铅（PbO2）

铅

硫酸

镉

氢氧化钾

吸氢合金

氢氧化钾

碳基，一般为石墨

有机溶剂中的锂盐

镍镉电池（NiCd）（S） 镍金属氢化物电池 （NiMH）（S）

羟基氧化镍（NiOOH）

锂离子电池 （LCO）（S）

锂钴氧化物（LiCoO2）

锂离子电池 （NMC）（S）

锂镍锰钴氧化物 （LiNiMnCoO2）

锂离子电池 （NCA）（S）

锂镍钴铝氧化物 （LiNiCoAlO2）

电解质

（P）＝一次电池， （S）＝二次电池

《镍杂志》专题报道 5

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推动未来低碳全球 电网的发展

6 《镍杂志》专题报道

《镍杂志》，第32卷第1期，2017年5月刊

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PETMAL

为了支持全球电网发展，电池市场 即将迎来爆炸性增长 在全球电网向更低价、更清洁的方向转变的进程中，锂离子（Li-ion）电池（很多

镍的好消息

含镍）将在其中发挥着不可代替的作用。

从长远 来看，这 对于镍的需求而

这在很大程度上归因于可再生能 源（主要是风能和太阳能）的惊人增 长。例如，过去三年里美国的风能和太 阳能占新增发电量的一半以上。亚洲 和欧洲对可再生能源投入了数以十亿

斯拉工厂产量的三分之一左右用于电

言是 一 个好消息。锂 离子电池阴 极

网储能。

材料的全 球供应商正在增加镍锰钴

但特斯拉并非个案，而且甚至不一 定是锂离子电池行业的最大厂商。

（NMC，其中每种元素的典型占比为 33％）的产量。 这个产量的很大一部分将用于电动

美元计的资金，目标是建成价值高达 万亿美元的可持续电网。 但由于风能和太阳能的供应并不稳 定，因此需要通过电池使复杂而广泛 的电力基础设施保持稳定。

WWW.TESLA.COM

怎样储存能量？ 电力储备协会近期公布的数据表 明电力储 备量 正在 迅 速增 加。实际 上，2016年整个美国的总装机容量几 乎增加了两倍。但这只是个开始。 2017年，美国电力储备量数据预计 会继续增长近50％。今年1月加州新装 机的三台装置――全部为含镍锂离子 电池――相当于整个美国去年装机储 备量的15％。 其他国家也在迅速推动电网中固 定式储能的发展――锂离子电池。例 如，韩国电力公司正在规划用于电网 稳定性快速反应型储能设施的500兆 瓦NMC电池，以提高电网稳定性。日 本最近也投入数亿美元资金实施电网 储能项目。 规模效益使锂离子电池成为主流技术 这一方面是因为锂离子电池用于电 子消费品的悠久历史，另一方面是因

 特斯拉的先进微电网解决方案事业部希望通过储能技术实现灵活、适应性的电网。

中国居于主导地位 中国将推动全球经济发展、压低价 格并增加需求。 电池电网储能将以极高的速度增 长。中国已经占据全球产量的最大份 额。 如果中国能像对待太阳能电池板一 样对待电池，那么中国就能主宰全球 市场。中国通过促进电动汽车（EV） 发展推动了锂离子电池的需求，从而 创造了生产上的规模效益。一些分析 家预计随着销售量和供应链效率的提 高，明年成本下降幅度将高达40％。

汽车，但固定式电网储能也将拥有一 席之地。在电网储能领域，NMC技术 与锂离子磷酸盐等其他竞争性锂技术 相比正在迅速引起关注，将成为开发 商的首选阴极方案。 充满可能性的世界 固定式电网储能仍处于早期阶段， 关于市场规模的未来预测差异很大。 在可见的未来，电动汽车将推动锂离 子电池及其中含镍的新需求。 随着成本的下降和业务模式的改 善，固定式储能在不久的未来将发挥 非常重要的作用。固定式储能将很可 能成为已在住宅中投入使用的数百万

为近年来对锂离子电池生产的巨大投

中国最大的锂离子电池生产商新

台太阳能电池组的补充。而在电网层

资――其中有很大一部分用于支持电

能源科技有限公司在过去一年中锂离

面上，像AES电力储能公司等主要储

动汽车（EV）产业。

子电池产量增加了两倍，而且超越了

能公司已将锂离子电池储能视为能与

例如，特斯拉公司著名的内华达超

世界领先公司之一的韩国乐金化学。

新建的调峰发电厂在成本上竞争，并

级工厂预计在2018年达到35,000兆瓦

该公司目前的产量约为8,0 0 0兆瓦时

视其为未来全球电网体系结构的一个

时（MWh）的产能。

（即8千兆瓦时－GWh），计划到2020

重要部分。

这样一座美国工厂生产的锂离子电 池就与四年前的全球总产量相当。特

《镍杂志》，第32卷第1期，2017年5月刊

年达到50千兆瓦时的产量（或者特斯 拉规模的一半）。

可以确定的是，镍将在未来低碳电 网中发挥至关重要的作用。 《镍杂志》专题报道 7

需求侧响应和 国家层面、社区内部和家庭的能源需求都在不断增长。满 足该需求的传统方式一直是提高供应侧的产量。 但近年来，人们的注意力开始更多地转向需求侧，即消 费者本身。这是为了调整高峰时段的需求，例如通过财政 刺激让消费者在非高峰时段使用电力。 为了满足这个更高的需求，一个表现出明显势头的替代 方案是“就地”储存非高峰时段生产的能量，以便在需要 时使用。 凭借这种需求侧响应（DSR）方式，高峰需求并未减少 而是得到了妥善的管理，这样储存在电池――很多情形下 是含镍锂离子电池――中的能量能在一天当中的关键时 段使用。 DSR的优势 对于国家电网而言，自动化DSR系统对需求剧增的反应 快于传统方式，例如火力发电厂和水力发电机。而且，由 于它采用分布式技术，它没有单一故障点。DSR与电池储 能系统连接时――往往采用锂离子技术，会将可再生来源 的能量储存起来，从而非高峰时段的供需平衡得以维持。 储能系统（ESS）的这种使用方式尤其重要，因为2016年 欧盟新增能源总量中有21千兆瓦（86％）来自风力、太阳能 及其他间歇性可再生来源。对可再生能源的更有效使用方 式有助于减少碳排放。 英国国家电网公司只是投资建设这种DSR与电池储能 系统组合的能源供应商之一。为了响应英国最新的电力容 量市场拍卖，而且随着向风力和太阳能发电转变的继续， 这类新储能项目将提供约500兆瓦的能量。 全面提高灵活性 电池储能系统的推广使用不仅限于国家电网，因为工业 和商业市场中也有大量的相关活动。 Open Energi 是一家 总部设在英国的技术公司，提供基于DSR和储能系统的解 决方案。 Open Energi 公司负责人 David Hill 说道， “将电表背后 设置的电池储能系统与需求侧响应结合是完全释放消费 4X-IMAGE

灵活性总值的关键，可以通过降低产量延长电池使用寿 命。它可以让企业优化整个资产基础的成本节省和碳减

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量，而且有可能改变我们电力系统的运行方式。” 随着DSR的增长，镍的需求将随之增长，从而提高全世 界能量传输系统的多功能性。

8 《镍杂志》专题报道

《镍杂志》，第32卷第1期，2017年5月刊

电池储能系统应运而生 DSR在行动

热那亚大学

NEXTERA／DEMOSS PETRIE变电站系统

建立与储能系统关联的DSR能力意味着灵活性和可靠性将得到提升，而且更清洁可再生能源将进一步推广使用。 美国和意大利的以下行业案例研究说明了储能系统是怎样可靠地实现所有这些目标的。

 新纪元（NextEra）变电站系统 案例研究－TEP／NextEra（锂离子电池－NMC） Tucson电力公司（TEP）是一家公用事业公司，向亚利桑那州 南部的40多万客户供电。 以提高本地电网的适 应性为部分驱动力，T EP公司与 Nex t Era能源公司的一家子公司（位于佛罗里达州朱诺海 滩）合作安装了一套10兆瓦锂镍锰钴氧化物（NMC）储能系 统。该系统可以在能量需求高峰时段保证为客户提供可靠的 服务。 有趣的是，TEP公司还参与了芝加哥IHI储能公司的一项 为期两年的研发项目，旨在研究电池储能系统的高效利用会 怎样提高亚利桑那州炎热、干燥气候下供电的可靠性。 NextEra系统采用NMC电池，其中一般含有各约三分之 一的镍、锰和钴化学物质；它们的使用寿命很长，而且非常 适合与微电网连接进行非高峰时段储能。 TEP公司发言人 Joe Barrios 称， “我们公司希望获得高成 本效益的储能系统，以便在提高可靠性的同时探索怎样运用 这类创新技术来帮助我们推广使用可再生资源。”TEP公司

 储能系统选用意大利非凡蓄电池集团钠镍电池。 案例研究－西门子／意大利非凡蓄电池集团（钠镍电池） 2012年，热那亚大学萨沃纳校区决定引入更高效的能量供 应和管理方法。 作为“Energia

2020”项目的一部分，校方选择在微电网

技术的基础上安装智能化能量管理系统。 该系统可以通过本地发电满足该校区的电力和供暖需 求，从而减少了从外部电网采购电力的数量。 其目标是推广可再生能源的使用，尽可能减少能耗并降 低该校区的二氧化碳排放量和能源成本。 可再生能源通过集中式太阳能发电系统和光伏设施收 集。微电网于2014年投入使用并由西门子负责管理。 热那亚大学Mansueto Rossi博士称， “储能系统选择了意 大利非凡蓄电池集团的钠镍电池，因为它们不需要配备复

现有可再生能源组合的总容量约为530兆瓦，足以保证11万

杂的冷却系统，而且对不利环境条件的适应性极高，因此是

户以上家庭一年的供电。

日间充电、非高峰时段放电的理想选择。”

《镍杂志》，第32卷第1期，2017年5月刊

《镍杂志》专题报道 9

汽车工业中的电池回收 全球电池行业随着需求不断发展 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。 阴极，而元素钴的回收推动了工艺经

一旦PHEV和EV进入大众市场，

济学研究。采用目前的方法回收含钴

将对电池回收行业产生巨大的影响。

量较低的电池（例如为车辆开发的很

电池回收公司正在投资建设规模大得

多种电池），回收的吸引力不大。但正

多的回收设施，以便对从这些车辆中

在开发全新回收工艺来回收阴极活性

回收的锂离子电池进行处理，从而为

材料（包括其中所含的锂），这些材料

满足未来需求做准备。当电池性能下

可以在电池中重复使用，而且价值比

降到车辆的容许使用水平以下时，电

其组成元素高得多，但必须保证回收

池可能仍然适合在电力储存领域二次

材料的质量。

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。铜、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

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。欧洲电 池指令目前处于审查阶段，其中规定 电池必须进行回收。中国最近颁布的 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

术。考虑到过去五年内HEV的全球年

州一级制定的。预计世界各国将制定

销量为150-180万辆而电池使用寿命为

更多相关法规。

10年，需要回收的NiMH汽车电池数量

镍锰钴（NMC）和镍钴铝（NCA），

由于收集系统面临的难题，估计目

其中镍化学物质的含量为33-80％。

前只有10％左右的旧锂离子电池进入

NMC在多种电子装置和电动汽车中

收集系统并最终被回收，而这些电池

使用。NCA在特斯拉汽车的18650块

大多来自各种便携式电子产品。

将不断增长。 中国 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

松下单元电池中使用，在其他电动汽

目前收集并回收的其他电池主要是

为颁布了强有力的激励政策。激励政

车中还与锂锰氧化物（LMO）混合使

NiMH电池，包括来自HEV的电池，

策也使中国成 为电动 汽车的主要市

用。其他主要的阴极材料为LiCoO2、

其中含有23％镍、4％钴、7％稀土金

场。2016年，全球电动汽车销量约为50

LiMn2O4和LiMPO4。

属、36％钢、18％塑料、9％电解质、2％

万辆，其中中国占全球55％的市场份

全新回收工艺

其他金属和1％聚四氟乙烯（PTFE）

额。业界预计未来五年的销量将继续

但所回收单元电池材料的价值因阴

。丰田普锐斯是全球销量遥遥领先的

攀升，这意味着电池回收公司将在未

极组成和回收工艺而异。如今的大多

HEV，丰田也致力于采用NiMH电池，

来几十年内处理越来越多的锂离子电

数锂离子电池都采用以氧化钴为主的

因其被视为一种成熟而可靠的电池技

池。

10 《镍杂志》专题报道

《镍杂志》，第32卷第1期，2017年5月刊

BET_NOIRE

使用。最终，电池性能不足时需要进行

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为未来做准备

主要回收商 ―

WIKIMEDIA COMMONS

―优美科电池回收公司

 优美科公司在比利时霍布肯建立的贵金属设施。优美科公司是世 界最大的贵金属回收商之一。

总部设在比利时的优美科电池回收公司（UBR）是NiMH电池和锂离子电 池的主要回收商，其零废料闭环电池回收工艺曾获大奖。UBR将独特的火法 冶金处理方法与最先进的湿法冶金工艺相结合，能以可持续性最高的方式对 各种类型和尺寸的锂离子电池和NiMH电池进行回收。 优美科火法冶金阶段可以将电池转化为三个部分： ・

含有贵金属钴、镍和铜的合金；

・

用于建筑行业的熔渣部分。可以从锂离子电池熔渣中回收锂，而 NiMH电池熔渣可以加工成一种稀土元素浓缩物，然后与索尔维公 司合作进一步精炼；以及

・

位于霍布肯的UHT冶金炉装 机容量为每年7,000公吨，是世界 上最大的锂离子电池和NiMH电 池专用回收装置之一。7,000公吨 ＝ ±250,000,000 节手机电池 ±2,000,000 节电动自行车电池 ±35,000 节电动汽车电池

独特的超高温（UHT）气体净化工艺处理后从电池组中释放的洁净 空气。

火法冶金步骤采用了优美科公司的UHT技术。该技术拓展了回收的界 限，为冶金回收工艺中最佳可用技术设定了新的标杆，旨在安全地处理大量 不同类型的复合金属类废料。该技术与其他回收技术的区别在于： ・

与现有工艺相比金属回收率较高，而且能输出可直接销售的产品；

・

直接输送电池，因此无需进行任何可能有害的预处理；

・

气体净化系统保证了所有有机化合物完全分解，而且不会产生有害 的二恶英或挥发性有机化合物（VOC）；可以在烟道灰中安全地收 集氟；

・

利用电池部件（电解质、塑料和金属）内部既有的能量极大地减少 了能耗和二氧化碳排放量；以及

・

所产生的废料数量接近零。

在后续的湿法冶金工艺中，合金经过进一步精炼，从而将金属转化成生 产新充电电池所需的阴极活性材料。 优美科公司一直是便携式电子产品、混合动力汽车和电动汽车中可充电 电池关键材料的领先供应商。

《镍杂志》，第32卷第1期，2017年5月刊

全球电池销售情况 2016年世界电池行业的销售额 为650亿美元，且1990-2016年期 间销售额的年均增长率为5％。 阴极活性材料的使用量从2000年 的6,900吨增加到2016年的178,000 吨，也从另一个角度反映了该行 业的强势增长。多种电池供电产 品的强烈需求推动了该增长，例 如便 携式电子产品、手机、电动 自行车、电动工具、电动公交车 等。2006-2016年期间，锂离子电池 销量每年平均增长22％。据阿维 森纳能源公司预测，2016-2025年 期间锂离子电池销售额的复合年 增长率将达到13％

《镍杂志》专题报道 11

电池改善地下矿井内的 空气质量 下一代镍基电池技术及其在地下采矿中的应用潜力 目前，通风成本占地下金属矿井总能 源成本的50％左右。开采商谋求在保 证经济性并清除地下作业环境产生的 细微柴油颗粒物的前提下加大开采深 度。如果将这些目标与实现清洁能源 目标相结合，就可以清楚地发现有大

目前采用三类电池： ・铅酸电池； ・钠-氯化镍电池；以及 ・锂 离子电池：一 个 子类 别，其中 包括锂铁磷 酸 盐（L F P）、锂钛 酸锂

量因素推动着为地下环境设计的电池 （LTO）和锂镍锰钴（NMC）。 驱动车辆的引入。 “这种关注来自两个方面，”山特维

克矿山与岩石技术公司(该公司是最早 引入电池驱动钻机的原始设备制造商 之一)PA岩石钻机和技术部研究和技 术开发主任 Jani Vilenius 说道。 “电池 技术在其他行业应用越来越广泛，因 此它在采矿中的适用性受到质疑，由 此产生了技术推动力。” “另一方面，未来采矿条件会比现在

每一类电池在特定应用中都有各自 的优势和劣势。 传统铅酸电池已在采矿领域长期

化学成分，其中最适合采矿应用的是 LTO、LFP 和 NMC。 “快速充电 LTO电池似乎更适合装 载和运输设备，因为它们能快速充电， 可循环使用而且具有优良的固有安全 特性，”Vilenius解释道。 “钠-氯化镍 电池也似乎更适合采矿，因为它具有 较高的安全水平和优良的体积能量密 度，因此能保证充足的使用时间和范 围。”

使用，主要是煤炭、盐和碳酸钾等软

总部设在美国的原始设备制造商

岩应用。但由于尺寸和重量较大、能量

MacLean 工程公司于2015年在 NMC

和供电容量以及循环寿命有限、安全

电池技术的基础上实施车队电气化计

性值得怀疑，因此其广泛应用受到阻 碍。 很多现代电池技术仍处于先导试

更加苛 刻，因此有必 要引入更环保、 验阶段，而另一些技术已得到业界认 更高效的技术。近年来，电池产量不 可并受到越来越多的市场关注。其中 断攀升，这是在为汽车和绿色能源行

包括多种锂离子（Li-ion）配方和钠-氯

业进行储备。采矿业认为，只有改善

化镍技术。锂离子技术有几种不同的

划。该计划实施后，2016年完成了三台 装置――两台电池驱动式地下锚杆钻 机和一台电池驱动式吊臂起重机。 MacLean 公司产品经理 Ant hony Griffiths 解释道： “与传统的铅酸电池  MacLean工程公司的EV BT3吊臂起重 机采用NMC电池技术

作业环境和空气质量并采用新的电池 技术才能提高地下采矿设备的作业效

GKUNA

有哪些电池可以采用？

ISTOCKPHOTO.COM

率，为新的采矿方式创造必要条件。”

业中应用数十年之久。但随着化学及

特定类 型或样式的电池已在采矿 STUART LISTER

相关技术的进步――例如直流电机和 充电技术，现在已有更加适合地下采 矿环境的电池可以采用。

12 镍的应用

《镍杂志》，第32卷第1期，2017年5月刊

SANDVIK

For applications needing lower power and higher energy-capacity-per-volume, sodium nickel chemistry is used.

相比，我们为车队选择的【NMC】化

量容量的应用，我们选用钠镍化学成

 山特维克公司的DD422iE钻机

学成分使总使用寿命和充电循环数轻

分；而针对高功率应用，我们选用LTO

未来展望

松达到其两倍，有时甚至达到三倍。” 山特维克公司目前采用两项电池技 术。 “目前没有哪一种技术能满足不

化学成分。” Vilenius承认对较大能量容量电池

目前，绝大部分地下采矿设备都是 由柴油驱动的。但世界上每一家大型 开 采商都 在评 估使用电池驱动设备

同应用的需求，因此技术选择一定是

的需求一直存在，但在不久的将来无

的可能性。几家公司正在为进行中的

由应用推动的，”Vilenius 说道。

法获得有前景的解决方案。 “电池技

项目的大 规 模 生 产作业部署电池驱

“但我们的首要选择标准是安全性。 术选择涉及到技术和财务方面的很多 针对需要较低功率和较高单位体积能  MacLean工程公司的EV 975 Omnia 锚杆钻机

动设备，这有助于获得更广泛的市场 认可。 “采矿业高管告诉我们，他们知

变量，”他说道。 “如果选择了一些现

道业界正在淘汰柴油驱动式地下采矿

有的大能量容量替代方案，那么安全

设备并转向零排放设备，”Kasaba说

性等优良性质可能会受到损害。”

道。 “即将宣布的大规模部署成功案 例将使整个行业发生转变。我们认为， 到2020年，地下采矿项目的所有 RFP 【招标书】都会要求完全采用零排放

采矿行业摄影师JAMES HODGINS

设备，而剩余的柴油驱动设备将在不 久后逐步淘汰。”

本 文 节 略自 C a r l y L e o n i d a 撰 写的 “推动地下采矿的未来应用”，发表于 《矿业杂志》2017年1-2月刊。

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镍的应用 13

太阳躲起来的时候

镍催生低成本的太阳能储存解决方案 没有阳光的时候，我们怎样储存太阳能呢？我们都知道，可 不采用常见的稀有金属，而且在稳定性、效率和成本方面表 以将太阳能转化成氢气进行储存。有什么问题呢？目前的制 现优异。 氢技术已经在实验室中获得了可喜的结果，但仍然过于不 研究者采用的方法是将业内已证明有效的部件结合起 稳定或昂贵，因此需要进一步开发才能投入大规模商业使 来开发一个强大的系统。 用。 这台样机由三个相互连接并与电解系统相连的新一代 好消息是洛桑联邦理工学院和瑞士电子与微技术中心 晶体硅太阳能电池组成，而电解系统不依赖稀有金属。 这个工艺的电化学部分需要使用一种由镍制成的催化 剂，而这种催化剂的成本低得多且来源广泛。 “氢”不言弃 这台装置可以将太阳能转化为氢气，而且在试验条件下 已连续运行了100多个小时。这个方法建立在稳定性、性能、 寿命和成本效益方面优于前期工作的基础上，而且已在《 电化学学会志》中发表。

UNIVERSITY OF NEVADA

“在瑞士安装的面积为12-14平方米的这个系统所制造和 储存的氢气足以驱动一辆燃料电池汽车每年行驶1万公里 以上，”论文作者之一Christophe Ballif（该论文的合著者） 说道。 “就性能而言，它在不使用稀有金属的情况下创造了 硅太阳能电池和制氢领域的世界记录。”

INFINI实验室／2016年EPF

的研究人员设计了一种装置，它采用市售的太阳能电池但

镍钛智能技术实现可恢复功能抗震桥梁

 两个可恢复功能抗震桥墩是西雅图市 中心区一条繁忙公路的一条新建出口匝道 桥的一部分。它们可以在强震中摇摆和弯 曲，但之后不仅保持直立而且使用不受影 响。

一种超弹性镍钛合金（俗称“Nitinol”）棒在美国西雅图市中心区首次使用，其中 约含55％的镍和可弯曲混凝土复合材料。该材料应用在新建的西雅图市中心区一 条繁忙公路上的一条出口匝道桥的一部分，这座首次投入使用的桥梁可以在强 “我们解决了生存可能性问题，可以 震中弯曲，但之后不仅保持固定而且使用不受影响。 保证桥梁在强震后使用不受影响，”现代桥梁都有防止在地震中倒塌的 我感到由衷的欣慰，”位于里诺的内华 Saiidi 说道。 “凭借这些技术和材料， 设计要求，而这项新技术使这种设计 达大学土木工程教授和研究员Sa iid 我们将迎来超级可恢复功能抗震结构 更进一步。在地震实验室的试验中，采 Saiidi解释道。 “使用这些材料显著减 用形状记忆镍钛棒和柔性混凝土复合 少了损害，而且即使发生强烈地震之后 的新时代。” 材料制成的桥墩在7.5级强震后恢复了 桥梁仍能通行无阻。” “这可能 是一次巨大的飞 跃，”华 原来的形状。 为了建造更安全、恢复力更强的基 盛 顿 州 交 通 部 桥 梁 结 构 工 程 师 “我们在大型振动台实验室对多项 础设施，这项技术的带头人Saiidi在实 Tom Baker说道。 “我们现在的设计宗 桥梁模型研究中的新材料进行了测试， 验室里建造又销毁了几座重达200吨 旨是不发生塌陷，但将来可能要改为不 包括记忆性金属棒和柔性混凝土复合 的大型桥梁、单个桥墩和混凝土墩座， 材料。看到新技术能在交通繁忙的地 其中采用了各种设计组合与创新材料， 发生损害并保证强烈地震后桥梁可供 震活动区这样的重要环境中首次运用， 包括镍钛棒。 急救车辆、商业车辆和公众通行。” 14 NICKEL IN BRIEF

《镍杂志》，第32卷第1期，2017年5月刊

生活供电―

镍在如今市场上的很多电池系统中发挥着重要的作用，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 一种少为人 知但十分重要的作用――即与钢结合 在圆柱 形电池壳和保护盖中使用以 保护电池内部。这种镀镍钢结构保证 了电池电能在需要时高效地转移到 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 产线完善了这项技术。电镀后对线圈 进行热处理。这种处理减小了接触电

... 镍和镀镍钢在各类 电池系统性能和可靠 性中发挥的作用无论 怎么强调也不为过。 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 部的腐蚀剂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，采用高速精密冲压 机 通过多个拉伸工艺改变钢带的形 态。制成的电池壳 运 往 全 球电池生 产商。

塔塔钢铁

 钢带（底部）上的热处理镍镀层（上 部）以及细粒扩散带（中部）  最先进的镀镍生产线

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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塔塔钢铁

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镍的应用 15

塔塔钢铁

―镍和钢在电池 中的协同效益

怎样才能获得一辆续航里程达到320公里、在不到7秒内从 0加速到96公里／小时、30分钟内充电后最长行驶145公里 的电动汽车？这要靠富镍锂离子电池！ Bolt电动汽车采用新设计的60千瓦时锂电池驱动，它置 于汽车底板中，从前脚部空间延伸到后排座椅靠背。 富镍锂离子电池的化学成分比其他化学成分具有更好 的热工作性能，而且需要通过小型主动式冷却系统实现更 高效的封装。这种化学成分保证了Bolt电动汽车在不同气 候和驾驶需求下保持最佳性能。 提高功率和能量水平 “一般电池只能提高预期的能量或功率水平，但在传统上 无法同时提高两者。凭借这种电池设计和化学成分，我们能

凭借这种电池设计和化学成分， 我们能让电池系统达到160千瓦 的最大输出功率和60千瓦时的能 量容量。 小型单元电池设计让汽车结构设计小组尽可能地扩大了内 部空间。

让电池系统达到160千瓦的最大输出功率和60千瓦时的能

“如果车辆无法带来激动人心的驾驶体验，那么即使续

量容量，”Bolt电动汽车电池组工程小组经理Gregory Smith

航里程领先、价格适中也毫无意义，”雪佛兰Bolt电动汽车

说道。

首席工程师Josh Tavel说道。

单元电池以“横摆”形式布置，每层组单元电池的高度只

“正因为此，设计团队需要设计一个推进系统，让Bolt 电

有100毫米，宽度只有338毫米，改善了底板下的封装结构。 动汽车成为车主喜爱驾驶的电动汽车。”

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独特的化学成分― ―电动汽车电池的巨 大助力

单元电池以“横摆”形式布置，每 层组单元电池的高度为100毫米， 宽度为338毫米。 