关键矿物原料驱动电池技术创新

全球能源转型和电气化趋势正在强化移动电气系统的应用，包括推广使用电动汽车和采用可再生能源储能解决方案。迫使工业领域聚焦电池技术的创新发展。全行业对电池的需求稳步攀升，人们找到了电池生产矿物原料的新来源，不断提高生产效率，持续改进制造技术，近几十年来电池产量激增。 

在化学电池中，通过不同的矿物原料组合方式来提高电池的整体性能。多种元素和化合物组合构成电池的电极和电解液，它们之间的相互作用决定了电池的特性。网页介绍了重要矿物原料从地球到电池的转变过程，电池为现代世界中应用日趋普及的移动电气系统提供动力。同时，探讨保持供应链稳定所面临的挑战和应对策略。 

在现有电池类型中，锂（锂离子）电池最为常见。这类电池是由多种矿物原料和材料进行复杂组合制成的，确定了每款电池的专属特性。锂是占比最大的原料组分，锂电池制造还需使用其他矿物原料。

阴极关乎电池的多个关键性能指标，包括能量密度、输出功率和使用寿命。

钴具有高能量密度和高稳定性，常用作锂电池的阴极材料，尤其是电动汽车的配套锂电池。但是同大部分电池矿物原料相比，钴矿开采的道德问题面临争议，需要电池制造商尽职尽责，追踪查明供应链的来源，同时也要求上游利益相关者负责任行事。 比如，欧盟已经开始实施“冲突矿产”监管。目的是设法阻止使用为武装冲突提供资助的矿产，或者在侵犯人权的条件下开采出的矿产。

镍也是常见的锂电池阴极材料，单位重量和单位体积的能量密度均较高。但是，镍矿开采会潜在影响敏感生态系统，引发环境问题。主要影响包括印度尼西亚和菲律宾等镍矿主要产地的森林砍伐、栖息地丧失，以及海洋水体污染。因此，美国著名电动汽车制造商特斯拉宣布不再使用镍基锂电池。

同镍和钴相比，锰矿资源更加丰富，价格更加低廉，但其单位重量或单位体积的能量密度较低。因能量密度较低，锰的空气反应性较弱，也不易燃，在特定类型的锂电池（比如磷酸锰锂）中使用更加安全。因此，电动汽车制造商和其他对成本敏感的企业更加青睐使用锰制造电池。

阳极是电池的负极，主要由石墨制成，石墨是碳的同素异形体，获取轻松，价格低廉。石墨开采同样会引发环境问题，主要是造成潜在粉尘污染、水体污染和土地退化。解决上述问题对于企业可持续运营至关重要。

在部分较新的高密度电池中，阳极由硅制成，而非石墨，因为硅能够储存更多的锂离子。这有助于电动汽车增加续航里程，提高充电速度。但是，在电池的充放电过程中硅容易膨胀和收缩，是电池制造的安全隐患，必须有效防范。

电池的阴极和阳极间充满电解液，作用是促进离子流动。通常包含溶解在有机溶剂中的锂盐。氟化锂与其他溶剂发生化学反应，生成六氟磷酸锂，是目前市面上锂电池最常见的电解液，研究人员也正在抓紧研究其他锂盐和固态电解液。

南美洲盐湖卤水和澳大利亚硬岩层富含锂矿资源。通常使用锂矿水蒸发池或通过传统采矿作业提取锂。上述两种锂提取方式都要求作业方负责任行事，尽量减轻对当地水资源和生态系统的不利影响。

不同于其他金属，提炼产物不是金属锂，而是高纯度的可溶性化合物，比如碳酸锂或氢氧化锂。

卤水提锂需要浓缩地下卤水，产物是浓度在200至1400 mg/l之间的锂盐，通常使用大型锂矿水蒸发池。大规模使用这一工艺，既需要耗费大量时间，又需要使用大量水。

浓缩后的卤水经过系列化学反应，析出不需要的化合物。最终形成结晶体，提取出碳酸锂。密切监测上述反应和高效过滤过程，可以回收尽可能多的锂资源，杜绝浪费。

还可以采用直接锂提取法，这是更具可持续性的卤水提锂方法，无需使用锂矿水蒸发池。这种工艺需要使用锂吸附材料。比如粘土矿物和离子交换树脂，便于从卤水中提取出富含锂的溶剂。一旦吸附介质中的锂离子浓度达到饱和状态，立即解吸再生，并且收集锂溶液。遗憾的是，这一工艺尚不具备商用条件。

硬岩矿开采需要开采锂辉石，将其磨碎后送入回转窑，进行高温焙烧，最终生成β-锂辉石。全过程耗费大量能源。

转化后的矿石会发生化学反应，比如卤水提锂，逐步去除杂质。依序进行，最后只留下碳酸锂，和少量低浓度副产品。必须通过添加碳酸氢锂溶液进一步净化提纯化合物，随后过滤并重新加热，直至得到电池级碳酸锂。纯度通常以“五个九”来表示，即99.999%。

同锂电池一样，其他矿物原料的电池在制造之前也必须首先进行矿物提取。通常涉及系列化学和物理反应，具体过程因矿物类型和具体用途而异。锂提取需要经过多级净化和过滤工序，而钴和镍则是通过复杂的火法冶炼或湿法冶炼提取得到。

提炼得到的高纯度材料用于电池部件制造。阴极和阳极材料基于精准比例混合，通过加热和涂覆工艺制成，需要进行可靠测量和质量控制，确保电池性能优良。 

将锂盐溶解在纯溶剂中仔细配制成电解液，过程中需要防止水渗入，避免电池降解，造成安全隐患。最后进行组装，经过复杂的分层、包裹和密封处理，防止泄漏，确保使用寿命。

通过组装，单个电池被组合成电池组和电池模块，为智能手机、电动汽车、复杂电池电源管理系统等应用场景量身定制。

电池矿物原料的使用并非一次性过程。工业企业和公众逐渐认识到自然资源的有限性，以及开采加工作业对环境的不利影响，开始逐步接受和推广循环经济原则。为了实现这一目标，人们必须努力提高电池回收利用的可行性，从废旧电池中回收有价值的矿物原料。减少新开采矿山的数量，减轻供应链脆弱风险。

伴随着锂电池的需求激增，优化矿物开采、生产和回收工艺势在必行，这样才能确保企业可持续运营，尽可能减轻对环境的不利影响。可行措施包括实施强有力的水资源管理战略，严格遵守地区环境法规，矿业公司和利益相关方直接投资锂提取工作。

电池的矿物原料提取是技术、环境、社会活动协同作用的具体表现。全球都在进行大规模能源转型，共同朝着碳中和目标迈进，工业企业必须将道德、环保和盈利能力纳入其长期可持续发展战略中。持续成功离不开技术进步，符合道德规范的原材料采购，以及全方位可持续生产。