NMC811正极活性材料制造过程的技术经济评估

锂离子电池正极材料NMC811的共沉淀法生产通过过程建模与 techno-经济分析优化，确定镍硫酸盐消耗最高（3.06 kg/kg CAM），成本基准25.6美元/kg，波动16.1–48.4美元/kg，最小售价32.3美元/kg（16.3–60.9美元/kg）。模型融合热力学与动力学数据，支持工艺参数与经济指标关联分析及多场景优化。

　　

Erik Resendiz-Mora|Usama Mohamed|Alisyn J. Nedoma|Solomon F. Brown

谢菲尔德大学化学、材料与生物工程学院，英国谢菲尔德，S1 3JD

摘要

阴极活性材料（CAM）的制造仍然是降低锂离子电池组成本的关键所在。我们开发并应用了一个灵活的工艺级模型，通过共沉淀法确定了NMC811制造过程的关键性能指标。该模型预测硫酸镍的消耗量最高，为3.06公斤/公斤CAM，其次是硫酸锰（0.41公斤/公斤CAM）和氢氧化钴（0.25公斤/公斤CAM）。然而，由于用于模拟沉淀反应的动力学数据存在一定的不确定性，因此结果也带有不确定性。在基准情况下，CAM的成本确定为每公斤25.6美元，实际成本可能在16.1至48.4美元之间波动；同样，产品的最低售价确定为每公斤32.3美元，也可能在16.3至60.9美元之间波动。本文所提出方法的优势在于其能够结合系统的详细化学数据，从而进一步扩展模型以进行优化研究。

引言

锂离子电池的研发一直是一项重要的研究课题，旨在提高其性能、寿命、能量密度和安全性，并降低制造成本，使其能够广泛应用于能量存储和移动设备等领域[[1], [2], [3]]。据报道，在移动设备应用中，电动汽车（EV）的成本很大程度上取决于电池成本，电池成本可能占到车辆总成本的40%[4]。此外，电池组的成本主要由阴极材料的成本决定，因此降低电池制造总成本的努力必须集中在优化阴极活性材料（CAM）的制造成本上[5]；这可以通过多种方式实现，例如改进阴极材料的化学性质、优化合成路线、改进现有技术或替代可能影响CAM最终成本的原材料[4]。此外，富含镍的CAM也在固态电池等新兴应用中进行研究，据报道表面改性可以提高界面稳定性[6,7]。这进一步强调了优化制造过程和成本的重要性。然而，要分解CAM的成本并识别制造链中的瓶颈，需要在开发的不同阶段进行技术经济分析（TEA）。

针对CAM制造的技术经济分析采用了多种方法；这些方法在范围和细节程度上有所不同。大致而言，现有的CAM TEA研究可以分为自下而上和自上而下的分析方法。自下而上的方法依赖于对各个单元操作的详细建模、质量和能量平衡计算、设备选型及成本估算，通常借助电子表格、过程模拟软件和成本估算工具来进行[[8], [9], [10]]。相比之下，自上而下的方法则基于现有的工业数据、历史数据或文献数据进行推断，通常得出的是总体结果，缺乏对系统各个部分的成本细分；例如NREL 2025报告[11]和彭博新能源财经（Bloomberg NEF）关于刚果民主共和国电池前体生产的报告[12]。

这些TEA研究中使用的具体工具和模型对其结果的准确性、透明度和适用性起着关键作用。一些研究使用基于电子表格的工具和简单的关系式来估算生产和相关成本。Ahmed等人[13]开发了一个基于电子表格的过程模型，通过碳酸化共沉淀法评估了各种NMC化学成分的生产情况。他们的分析提供了关于能量和水消耗的详细过程信息，以及CAM的生产成本；对于NMC811，他们报告的消耗量为3.85千瓦时/公斤CAM，成本为21.47美元/公斤CAM。Wentker等人[10]也开发了一个基于电子表格的模型来估算电池组的成本。他们的模型是模块化的，根据原材料成本而不是固定CAM价格来估算整个电池单元的成本。在该模型中，CAM的成本由原材料成本和加工成本组成。首先根据所需的CAM化学计量比估算原材料需求，然后利用这些信息以及原材料价格来估算CAM材料的成本。此外，加工成本采用标准对数曲线方法估算，以考虑规模效应，该方法基于参考制备成本数据和相关的规模因子。其他研究也采用了类似的方法[4,14,15]，但他们的成本模型仅关注电池单元，没有提供CAM的单独成本数据。Du等人[16]分析了一种火焰合成方法来生产不同化学成分的CAM，并将其与共沉淀法进行了对比。他们进行了基本的质量和能量平衡计算，用于估算过程的关键性能指标（KPI），包括能量消耗、水消耗和二氧化碳排放。对于NMC811，他们报告通过共沉淀法生产该材料时的能量消耗为18.6千瓦时/公斤CAM。

其他研究则采用高层次的方法，利用试点工厂数据或已发表的数据进行TEA估算。Zang等人[17]比较了通过火焰辅助法和共沉淀法生产NMC333的成本。他们将试点工厂的性能放大到工业规模，估算原材料和能量需求，并使用基于产能的方法确定设备成本。他们报告通过共沉淀法生产CAM的最低售价为23美元/公斤CAM。彭博新能源财经[12]采用自上而下的方法评估了刚果民主共和国电池前体的生产成本。他们利用了电池制造商、采矿和制造业的项目特定数据、刚果民主共和国政府提供的当地成本数据以及彭博的财务数据，报告NMC811的成本为11.2美元/公斤CAM。Ramdhan等人的研究[18]也调查了CAM制造的放大情况，并提供了他们估算的成本数据，但缺乏得出这些数值所采用的方法的透明度。

现有研究中采用的方法有助于筛选潜在的CAM化学成分，并提供公平的成本估算以评估项目的盈利能力。特别是第一组研究似乎提供了更详细的方法，将总体成本和性能与制造过程的细节联系起来。然而，它们没有深入探讨过程系统的细节，而这在过程设计和优化方面非常重要。

因此，在本工作中，我们提出了一种过程系统方法，能够在不同层次上分析制造过程。我们开发了一个基于第一性原理的过程模型，将基本的复杂热力学和反应动力学与制造线上不同处理步骤的质量和能量需求联系起来，最终达到工业规模的资本支出（CAPEX）和运营成本（OPEX）。这不仅允许预测重要的KPI，还支持情景测试，并为严格的优化研究提供基础。

本工作的创新之处在于以下几个方面：

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将基于第一性原理的过程模型与详细的经济评估相结合，提供了过程参数、质量和能量需求与经济性能指标之间的透明联系。

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一个可推广的建模框架，可以轻松适应其他NMC化学成分或替代工艺配置，为未来的优化和情景分析提供了一个强大的平台。

然后将该方法应用于CAM的制造，特别是NMC811，目的是确定CAM的生产成本和售价，并将结果与公开文献中的数据进行对比，以验证其预测能力。

部分摘录

模型开发

本研究考察了阴极活性材料（CAM）的制造过程，特别关注NMC811的合成，因为预计这种化学成分将在未来几年成为主导的CAM[14]。分析使用了商业过程模拟器Aspen Plus v11.0[19]进行过程建模，为系统的性能提供了宝贵的见解。整个过程模型捕捉了输入材料的物理化学性质和单元操作的顺序

经济评估

CAM制造成本的计算采用自下而上的方法，考虑了直接成本和间接成本。该方法包括计算固定资本投资（FCI）和制造成本，以估算CAM的生产成本，然后应用折现现金流法估算假设回报期为5年的最低售价。

模型验证

由于缺乏可用于比较预测的有用信息，过程模型的验证较为困难。大多数关于CAM合成的实验工作主要关注材料的电性能，研究人员省略了与过程设计相关的数据，如产品产量。

在缺乏通过共沉淀法生产NMC811的相关工厂或实验室数据的情况下，我们将一些主要KPI与公开文献中报告的数据进行了对比并进行了验证

结论

在Aspen Plus中实现了CAM制造的过程模型，以进行技术和经济分析。该过程模型详细表征了溶液化学成分，考虑了盐的解离、离子平衡以及氨合物与过渡金属离子的形成，并依赖于严格的热力学计算来估算溶液的性质。然而，在建模沉淀过程中引入了一个重要的假设

CRediT作者贡献声明

Erik Resendiz-Mora：撰写——原始草稿、可视化、软件、方法论、研究。Usama Mohamed：撰写——原始草稿、软件、方法论、研究。Alisyn J. Nedoma：监督、研究。Solomon F. Brown：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢英国工程与物理科学研究委员会（EPSRC）对SuMMa项目的资助，资助参考编号为EP/W018950/1。