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战争矿藏之有“锂”走遍天下

时间: 2024-03-31 10:17:39 |   作者: 起动电池产品

  • 产品特点

  锂作为21 世纪的能源金属,从核武器到电池,从空天飞行器到水下装备,都有它的身影。正是因为锂在多个领域都发挥了及其重要的作用,也使得它成为国与国博弈的重要砝码。

  2023年3月16日,欧盟委员会发布《关键原材料法案》提案旨在确保欧盟获得安全和可持续的关键原材料供应。在相关解释文件中,欧盟重点提到了包括锂在内的五种关键原材料。按规划,到2030年欧盟计划每年在内部生产至少10%的关键原材料,加工至少40%的关键原材料,回收15%的关键原材料。与此同时,在任何加工阶段来自单一第三方国家的战略原材料年消费量不应超过欧盟的65%。

  欧盟之所以颁布这一法案,是因为欧盟在战略原材料方面严重依赖少数国家,特别是在绿色经济中发挥慢慢的变大作用的原材料——锂。据欧盟估计,随着绿色转型加速,要想实现“碳中和”的目标,到2030年,锂的需求量将增加18倍,预计到2050年将增长60倍。由此可见,欧盟颁布此法案,一种原因是想通过确定潜在的战略项目,吸引可再次生产的能源企业入驻,增强本土可再次生产的能源制造并在供应面临风险的地方建立储备,从而摆脱可再次生产的能源产业链的对外依赖;另一方面,欧盟此举也是对美国发动的可再次生产的能源争夺战的被迫回应。

  2022年下半年,在美国颁布的《通胀削减法案》中包括了2023年生效的3690亿美元新能源技术补贴。为扶植本土电动车企业,美国对购买新电动汽车的消费的人提供7500美元的税收抵免,而要想享受抵免资格,汽车最终组装必须在北美进行,汽车电池关键材料要有特殊的比例来自美国自由贸易协定伙伴或在北美回收,而且电池组件有特殊的比例是在北美制造的。如不能满足上述要求,那么电动车企业只能获得一半的税收抵免。如电池中任何关键材料是由“受关注的外国实体”提取、加工或回收的,企业则会被取消税收抵免资格。欧洲国家认为,《通胀削减法案》会诱使欧洲大量可再次生产的能源企业把产业链转移到美国使欧洲新能源制造业日趋式微。于是,从2022年下半年起,欧盟接连提出2100亿欧元的欧洲能源重返计划和 5650 亿欧元的“能源系统数字化”计划,以吸引可再次生产的能源企业入驻,来应对美国的《通胀削减法案》。这次的《关键原材料法案》,则是欧美双方新能源博弈的再次升级。随着欧盟与美国加速对各自锂资源项目开发建设,全球锂资源的竞争愈演愈烈。

  1800年,一名巴西化学家在瑞典一个小岛上旅行时,发现了透锂长石。1817年,瑞典化学家约翰·奥古斯特·阿韦德松在分析透锂长石时,发现含有这种未知金属元素的石头扔到火里会发出深红色火焰,于是以希腊文“lithos(石头)”命名为锂(Lithium)。金属锂元素的熔点低(180℃)、沸点高(1327℃)、密度小、热容量大、导热性强,是理想的氚增殖剂。

  锂作为自然界最轻的金属元素,室温下的密度为0.534克/立方厘米,只有水的一半左右,因而可浮在石蜡表面。由于锂原子最外层的电子在与其他元素接触时极易丢失,所以单质锂易于与其他元素结合。它能与空气中的氧发生反应,形成疏松的白色氧化物,也可溶于液氨,形成黑色的氮化三锂晶体。锂还能与水发生剧烈反应并释放出氢气,1千克氢化锂和水可释放2800升氢气。由于锂容易与氧、氮、硫结合,它还能作为冶金工业的脱氧剂。在铜中添加少量锂,可把铜中的氧、氮、硫等杂质通过反应去除,大幅度提高铜的性能。在铝、镁及其他金属中加入少量锂,则可提高其强度和耐酸碱性能。在碱性电池中加入氢氧化锂,可大幅度提高电池容量。由于锂的化学性质活跃,制备单质锂的技术成本过于高昂,因而从发现锂元素到可以工业制备锂单质间隔了数十年。直到1855年,德国化学家罗伯特·本生和英国化学家奥古斯都·马蒂森,通过电解氯化锂才获得了大块的锂,从此开启了锂的工业化生产历程。最初只有德国、美国、苏联等少数国家掌握了锂的大规模制造技术,随技术发展,锂开始大范围的应用于多个领域并逐步成为一种战略资源。

  众所周知,核聚变反应是将较轻的氢原子核(主要是氢的同位素氘和氚)聚合成较重的原子核(氦),同时释放出巨大能量的过程。在自然界中,氘在海水中极易获取,每升海水中含有0.03克氘,储量丰富。与氘相比,氚在自然界中含量极少,而锂同位素Li与中子反应后便可生成氚。

  据公开资料介绍,当锂用作氢弹装料时,1千克的氘化锂的爆炸威力与5万吨的相当。因此,锂常用来制造氢弹、中子弹等核武器。同时,由于此反应过程中,中子可与锂发生反应,再产生新的氚,进而持续推进聚变反应。加之锂的比热容大、密度低,很适合冷却系统。因此,锂还被用于可控热核反应堆核能发电,并承担传输反应热量的关键任务。美国能源与发展署在关于2030年核聚变用锂量的预测报告中曾指出将需要1.6万至7万吨锂,以保证其参与核聚变反应和传导热量双重作用的发挥与实现,锂在核能领域的重要性可见一斑。

  由于锂电池具有电压高、体积小、质量轻、比能量高、自放电小、寿命长等优点,所以被视为目前综合性能最好的电池类型,已大范围的应用于军事领域。

  军用特种锂电池,除具有常规锂电池的安全和存储功能外, 还具备工作时候的温度范围广、防潮、防震、防腐、性能平稳、可靠性高、供电不中断等特性,以适应相对恶劣的工作环境。在地面装备中,锂电池大多数都用在军用无人地面车、机器人、混合动力汽车,不仅可降低油耗,减轻后勤负担,还可提高战术车辆的发动机功率。锂电池具备高倍率充电能力,电流越大充电时间越短,且能做到同等体积下更高的功率密度,利于部队执行应急任务。像一些通信、指控、侦察、定位用的战术便携设备,通常使用锂电池作为核心供电单元。就单兵作战系统而言,高倍率的军用锂电池不仅较之前的镍氢电池降低约1/3的装备负荷,提高了单兵战术操作的灵活性和机动性,还把装备的上班时间延长了2至3倍,最大限度保证了野外作战时的可靠性。

  在航空航天领域,因航天器对重量格外敏感,因此大量应用质量轻、比能量高的锂电池。据测算,一颗耗能20千瓦功率的高轨道卫星,如采用锂电池组代替镍氢电池组,那么仅电池组的重量就能节约300千克以上。锂电池不仅能做到小型化、轻量化,其寿命还比锌银电池长十几倍,加上其突出的低自放电、无记忆效应、适应温度广的优势,得以在航天领域大范围的应用。近年来,欧空局发射的SMART月球探测器、“火星快车”空间探测器,美国NASA发射的“勇气”号和“机遇”号火星探测器,都采用锂电池作为储能电源。此外,锂电池还常用于小型、微型无人机,像美军“龙眼”无人机这样的小型无人机,一般会用锂电池作为动力源。

  锂电池能上天,亦能下海。目前,柴电潜艇广泛使用的都是铅酸电池组,能重比低、储能有限。为使潜艇更长时间地潜航,比较先进的潜艇都使用了“不依赖空气推进装置”(AIP系统)。AIP系统运行虽说不依赖空气,但要消耗自带的液态氧或氢气,且动力不足以推动潜艇在水下全速航行。若用锂电池替代铅酸电池,功率密度将提高4至5倍,其产生的更强劲持久的动力,甚至可让潜艇摆脱对 AIP系统的依赖。据韩国现代重工集团透露,韩军第二批次KSS-Ⅲ型柴电潜艇使用锂离子电池后,水下自持力比第一批次增加2至3倍。日本也已着手用锂电池替代 AIP系统,并拥有了3艘使用锂电池技术的常规潜艇——苍龙级“凰龙”号、“斗龙”号及大鲸级首艇“大鲸”号。意大利正在建造的两艘U212型潜艇,也使用了锂电池技术。

  锂在地壳中的含量约为 0.0065%,在全球6大洲都有分布。由于具备高活性,锂在自然界中只能以化合物的形式存在。目前,已知的含锂矿物有150多种,主要以锂辉石、锂云母、透锂长石、磷铝石矿等形式存在。据美国地质调查局最新多个方面数据显示,全球锂资源储量约为2105.5万金属吨,折合碳酸锂当量 LCE(Lithium Car- bonate Equivalent)超过1亿吨。根据 2020年全球大约40万吨LCE供给量和需求量来测算,资源储量的静态保证年限超过200年。全球锂资源丰富且高度集中,有73%的锂资源分布在北美洲和南美洲、大洋洲、亚洲、欧洲、非洲锂资源分布相对较少、分别占比8%、7%、7%和5%。就国家而言,锂资源主要分布在南美洲“锂三角”地区(玻利维亚、智利和阿根廷)、美国、澳大利亚和中国,据2021年多个方面数据显示,其中智利、澳大利亚、阿根廷、中国和美国这5个国家储备量分别为920万吨、570万吨、220万吨、150万吨和75万吨,合计储备量占比达87.95%。

  随着锂产业的发展,全球锂产量也呈增长趋势,但基于锂资源分布、开发方式及提取技术的差异还是会影响到锂资源开发的规模和成本,全球具备经济开采价值的锂资源还是有限的,尤其是近些年随着新能源汽车产量猛增,全球锂消费结构发生巨大变化,电池行业锂消费迅速增加。之前,锂电池只用在手机之类的小型电子科技类产品上,每台设备只需几克锂,而如今一辆特斯拉Model3汽车就要几十千克锂,是手机的几千倍。井喷的需求,将锂这种曾经的小众元素哄抬为全球最抢手的资源之一。据行业预测,到2025年,全球锂需求量将达150万吨碳酸锂当量(LCE),到2030年将超过300万吨 LCE,而与之相对应的是,2021全球也只生产了54万吨LCE。按上述需求预测到2025年,产量要增加3倍,到2030年产量将增加近6倍。由于新的锂项目在大多数情况下要6至15年以上的时间才能上线,因此,未来几年锂市场将出现供需紧张的状况。

  锂产业链若细分,子产业链众多,上游主要是锂矿开采,目前主要是通过锂矿石和盐湖卤水提锂;中游主要是锂盐产品的生产,初级加工阶段的产品最重要的包含碳酸锂、氢氧化锂、氯化锂等一次锂盐,二次加工可制取丁基锂、金属锂等二次或多次锂产品,其中,碳酸锂和氢氧化锂按纯度与化学指标也可分为工业级和电池级,分别用于工业领域和电池领域;下游分布广泛,大多数都用在电池、陶瓷、玻璃、合金、润滑剂、医药、航天及军工等领域。

  目前,因锂资源供不应求,全球锂价已出现暴涨,像碳酸锂价格已涨到每吨50万元人民币(2020年时,其每吨价格仅3万多元人民币),锂价暴涨使得整个产业链的利润显著向上游倾斜。作为未来“白色石油”的锂已然成为能源转型的关键矿物,更是战略性关键矿产资源。

  在此背景下,锂供应链的变动已不是的市场行为,而是间杂着国家战略、大国产业竞争、政治风险等诸多要素的跨国博弈。

  在这种情况下,一方面,资源出口国力图以集群姿态提高锂矿资源价格,保证本国的定价权,以扩大己方在全球资源外交中的主导地位。2022年11月初智利、阿根廷和玻利维亚就试图构建米似石油输出国组织(OPEC)的锂矿联明“锂佩克”,以期获得在新旧动能转型过程中的国际贸易与投资红利。11月下旬,澳大利亚财长吉姆·查默斯表示,澳是锂、稀土等能源转型关键矿物的主要供应国,鼓励盟友投资能够得到更多收益,因此未来将更加谨慎地为其关键矿产行业选择投资方。

  另一方面,以美国为首的西方国家则试图以“国家安全”之名实施保护主义,以重构“排华供应链”分工体系。像在2021年的联合国《生物多样性公约》第15次缔约方大会(COP15)上,美、加、澳等7国正式结成“可持续关键矿产联盟”,该联盟对关键矿产材料的生产和购买制定更高的环境及劳工标准,并计划未来对锂、镍、铜、钴等领域实施同样标准,这明显是“项庄舞剑,意在沛公”。而美国2022年8月通过的《通胀削减法案》,号称为气候立法,实则针对新能源布局企图通过大额度的奖励刺激,使跨国公司脱离中国的电池供应网络。2022年11月,加拿大政府以“国家安全”为由,根据《加拿大投资法》(ICA)对三家中资锂矿企业施加的强制撤资和市场剥夺中,美国军方和情报部门也扮演了积极角色。在涉及国家重要战略利益的锂资源开采上,美国是铁了心要把中国排挤出它当下所能干预到的供应链体系。随着全球分工由效率优先向国家安全优先的转变,全球锂资源供应体系的重大变局已经拉开大幕。

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