掺杂策略在可持续电池生产中的经济性：无钴高镍正极材料中规模成本与资源安全的协同效应

《JOURNAL OF POWER SOURCES》：The economics of doping strategies for sustainable battery production: Synergies between scale costs and resource security in cobalt-free high-nickel cathodes

　　无钴高镍正极材料是实现可持续且成本高效的锂离子电池最具前景的途径之一。消除钴可减少对环境集中且存在伦理争议的供应链的依赖。通过掺入替代过渡金属和非过渡金属，可以在不依赖钴的情况下保持或改善结构稳定性、电化学性能和循环寿命。然而，制造规模下掺杂策略的经济影响尚未得到系统性的关注。本研究考察了基于NMC90（从LiNi0.9Mn0.05Co0.05O2过渡至LiNi0.95Mn0.05O2）的无钴高镍正极材料中，掺杂化学、生产规模经济和关键矿物供应风险之间的相互作用。共评估了八种掺杂元素：镁、铝、钛、钼、钨、锆、铌和钽。建立了涵盖每年1至200吉瓦时生产规模的技术经济模型。将成本轨迹与供应链风险指数结合，生成综合掺杂策略评分。铝和锆掺杂被确定为最优策略，兼具低掺杂成本、有利的供应链安全性和有竞争力的电化学性能。钨和钼掺杂可带来更优异的电化学稳定性，但伴随着更高的成本和供应风险惩罚。研究发现，最优掺杂选择具有规模依赖性：在小规模生产中，电化学性能优势占主导，而在大规模生产中，掺杂成本和供应安全成为决定性因素。本研究为电池制造商和政策制定者提供了一个用于正极掺杂策略的综合技术经济分析与资源安全评估框架。锂离子电池产业正处于全球能源转型的核心位置。到2035年之前，电动汽车、电网储能和消费电子领域对电池的需求预计将增长五到十倍。这一增长对正极活性材料供应链形成了巨大压力，因为正极活性材料是锂离子电池中最大的单一成本组成部分。在正极元素中，钴一直受到持续的广泛关注。钴在地理上高度集中于刚果民主共和国，该国占全球产量的70%以上。价格波动、供应链不透明性以及已记录的人权问题为电池制造商带来了叠加风险。高镍层状氧化物正极，特别是镍含量超过80%的NMC家族，为减少或消除钴提供了一条切实可行的路径。镍提供高比容量，锰提供结构支撑，而钴传统上则作为动力学增强剂和结构稳定剂。近期研究已证明，如果采取补偿策略，钴含量可以被降低到极低水平而不会出现灾难性的性能损失[1]。在镍位或锂位进行元素取代掺杂是主要的补偿策略。铝、镁、钛、锆、钼和钨等掺杂剂已分别被证明可以改善高镍体系的结构稳定性、抑制阳离子混合、降低表面反应性或提高锂扩散率[2,3]。然而，每种掺杂剂都有各自的成本、供应集中度和技术权衡。迄今为止，没有任何研究对掺杂策略进行系统性比较，将电化学性能、大规模制造成本和供应链风险整合到统一的决策框架中。经济维度尤其重要。正极材料约占电池成本的40%。即使掺杂剂成本或产率损失存在细微差异，在乘以吉瓦时级产量后，也可能转化为系统层面经济的显著差异。此外，如果消除钴只是引入了对另一种极其稀缺元素的依赖，供应风险问题并未得到解决，而只是被转移了。政策制定者和制造商需要能够区分真正安全的替代方案和真正存在风险的替代方案的框架[4]。本文填补了这一空白。它对八种无钴NMC90正极掺杂策略进行了全面的技术经济与资源安全分析。该分析涵盖电化学性能基准测试、多生产规模下的制造成本建模、供应链风险量化以及综合策略评分。研究结果对做出资本配置决策的电池制造商、评估技术风险的投资者以及设计供应链韧性项目的政策制定者均具有参考价值[5]。从高镍正极化学与钴的减少来看，从NMC111向NMC622、NMC811和NMC90的演进反映了通过提高镍含量以增加能量密度的有意识推进。Liu等人[3]提供了关于钴在层状正极中作用的机理洞察，表明钴主要促进过渡金属层内的电子传导。他们的工作证明，在适当的结构稳定条件下，钴的贡献可以被其他策略部分替代。Myung等人[6]回顾了材料体系定义为：基线正极材料为NMC90，定义为LiNi0.90Mn0.05Co0.05O2，代表一种近无钴组成，保留5%残余钴含量仅用于比较基线的结构连续性。八种掺杂变体将残余钴和一部分镍替换为目标掺杂元素。掺杂量固定为文献中实验报告的最优浓度：Mg为2%，Al为3%，Ti为2%，Mo为1%，W为1%，Zr为2%，Nb为2%，八种评估的掺杂元素涵盖了不同范围的离子半径、价态、位点偏好和最大固溶度极限，如表1所示。这些结构特性对电化学性能和加工要求具有直接影响。高价态掺杂剂（Mo和W，均为+6价）引入电荷补偿效应，稳定了平均过渡金属氧化态。这在Ni2+/Ni3+/Ni4+氧化还原活性的高镍体系中尤为有益本研究在电池材料科学与产业经济的交叉领域做出了四点具体贡献。首先，建立了一个统一的技术经济框架，用于比较正极掺杂策略，将电化学性能、制造成本和供应链风险整合到单一分析结构中。此前的工作分别讨论了这三个维度，但没有任何已发表的研究将三者结合到可比较的掺杂策略评估中。本研究通过分析无钴高镍NMC90正极材料掺杂策略的经济性，整合了电化学性能数据、自下而上的制造成本建模以及供应链风险量化，涵盖每年1至200吉瓦时的生产规模。共评估了八种掺杂元素：镁、铝、钛、钼、钨、锆、铌和钽。铝掺杂在所有权重下表现出最为一致的有利策略Zetai Kong：概念构思、方法论、形式分析、原创草稿撰写。Zhang Liu：审校与编辑、项目管理、概念构思、监督指导。作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。