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推動鋰電池高值材料循環策略

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隨著全球鋰電池的供應量大幅成長,相對也將帶出大量鋰電池商機與廢棄資源,為此政府開始重視綠能/環保/循環經濟,帶動鋰電池相關產業重新布局,也開創新藍海機會。因此,藉由整合電池產業之循環供應鏈體系,充分運用國內現有鋰電池回收原料,並進行有價金屬回收智能檢測技術與正極材料再生技術開發,輔以台灣優勢的鋰電池產業,建構完整的鋰電池相關產業鏈,透過工研院率先布局鋰電池循環經濟相關技術,期望帶動我國鋰電池回收業者投入研發活動,同時強化產業上下游之串聯。
 
前 言
全球鋰電池(Lithium Battery)市場由於應用領域的大幅擴張,整體市場處於成長期,過去5年快速成長。其中,正極材料使用量也不斷增加,正極材料決定了鋰電池的能量密度、循環壽命與安全性,占鋰電池成本三成以上。圖一為各種正極材料市場成長趨勢,由於各種材料的性能與優缺點均有不同(參見表一),其適用領域和發展前景也不盡相同。從應用結構來看,鋰電池之正極材料市場可以細分為小型鋰電池正極材料市場和動力鋰電池正極材料市場,小型鋰電池正極材料主要包括鈷酸鋰(LiCoO2)、三元材料(NMC及NCA)與錳酸鋰(LiMn2O4)等,而動力鋰電池正極材料主要為錳酸鋰、磷酸鐵鋰(LiFePO4)和三元材料。
 
鋰電池正極材料的發展趨勢
近五年因鈷價格的暴漲暴跌,價格波動高達300%。含鈷量占質量百分比60%的鈷酸鋰承受巨大的成本考驗,因此,鋰電池廠商積極找尋可替代之材料,亦開始發展低鈷和無鈷的低成本之正極材料作為解決方案。部分可以用多元材料直接替換鈷酸鋰的領域,正極材料也逐漸從鈷酸鋰(LCO)電池改成三元材料(NCA),朝含鎳之三元材料(NMC)組成為研發方向,如圖三。由NMC111逐步增加鎳的含量至NMC622及NMC811,應用場域如18650圓柱形鋰電池及3C相關產品,以達到降低成本之目的。尤其在電動汽車市場的應用,對於高能量密度之含鎳電池需求將逐漸增加,在Nickel Institute的研究報告指出,2016年全球市場約有39%的鋰電池使用鎳,預計至2025年其比例將上升至58%左右,尤其是對於電動汽車等車載電池上的應用,高能量密度含鎳之電池的需求將會增加。從回收(Recycle)的角度來看,也要預先布局,從目前回收鈷的主流,一併考量鎳的回收處理方式。
預計未來會有越多車廠投入電動車的研發,包含Nissan、Renault、BMW、Volkswagen與比亞迪等,許多大廠紛紛展開電池回收的研究,不僅能避免電池的環境污染,還能減少對原材料的進口依賴。根據國際市場研究機構MarketsandMarkets最新的報告指出,2019年全球鋰電池的回收市場規模約為1.653億美元,預計到2030年將增至60億美元。亞太地區(APAC)在鋰電池回收市場中占比最高,目前約占七成左右,預估至2030年整體成長率約18.3%。
 
國內鋰電池高值化策略推動
綜觀鋰電池在國內產業從上中下游包含原料的供給、製程模組、應用產業至電池回收系統都具有一定的能量,而台灣在鋰電池產業這塊其實已接近完整的供應鏈體系,但獨缺有效的回收系統來處理廢棄鋰電池,且目前台灣業者受制於國外進口使價格居高不下,正極材料方面自主供應比重低於30%,而負極材料之自主供應比重僅15%,其餘需求來自國外進口,因此上游關鍵材料之自主掌握程度將成為國內廠商發展二次鋰電池最迫切之需求。緣此,希望透過高值循環模式優先發展三大類產品,如:①電池所需之關鍵原物料;②我國尚未充分利用之原料;③進口取代或本土化商品。
 
作者:林欣蓉、謝少棟/工研院材化所
本文節錄自《工業材料》雜誌411期,加入會員可下載本篇全文
https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=45764

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