从钱币到电池 新能源化学元素巡礼：镍
【太平洋汽车网技术频道】镍是传统镍氢、镍铬电池的重要原材料。 最重要的是，它是目前最流行的新能源汽车动力电池三元锂电池正极材料的主要原材料之一。 3月初，伦敦金属交易所LME期货市场发生了令人震惊的“妖镍”事件，让有色金属镍进入了人们的视线。 今天我们不是来介绍三元锂电池，也不是来介绍大宗商品交易中的镍期货。 而是从最基本的元素，各种相关的基本化学反应开始，然后再进行三元锂中镍的原料生产。 就拿镍来说吧。 如果您对此类科普内容感兴趣，后续我们还将为您提供新能源产业相关其他基本要素的科普介绍。
镍元素简介
镍是第28号元素，属于第VIII族，相对原子质量58.71，熔点1453℃±1℃，沸点2800℃。 天然镍有五种稳定同位素：0.7%、0.2%、61Ni1.25%、62Ni3.66% 和 64Ni1.66%。 主要化合物中，常见的是+2价、+3价和+4价镍。 镍的许多物理和化学性质与钴和铁相似。 由于它与铜相邻，因此在氧亲和力和硫亲和力方面更接近铜。
我们最常见的用途是制造不锈钢和硬币。 镍储量丰富的国家，如澳大利亚、新西兰、俄罗斯等，很多常见的硬币都是镍币。 有些面额稍大的硬币完全是根据被杀者的体重和重量来铸造的。 该尺寸设计为重几磅，只需将一把放在口袋里即可。 实际使用中绝对是一个负担，但对于乾坤逸来说可能是史诗级的增强。
储备分配与生产
作为一种常见的金属，有人认为它的大量储存在我们的地核中，而我们无法记住它在地核中的存在。 作为陨铁的重要组成部分，类似镍橄榄石的金属块在一些地方甚至可以直接在地表捡到，比如中国的新疆。 铁镍合金极为常见，陨铁含量也很高。 主要来源应该还是在地壳中。 许多国家都有丰富的镍矿，镍与其他金属共存是很常见的。
据中国地质调查局发布的《全球锂钴镍锡钾矿产资源储量评估报告（2021年）》显示，截至2020年，全球镍矿储量9063万吨，资源量2.6亿吨。 根据USGS数据，2020年全球镍储量约为9400万吨，其中60%为红土镍矿，40%为硫化镍矿。
世界红土镍矿分布于赤道南北30度以内的热带国家，集中在环太平洋热带亚热带地区，主要有：美洲的古巴、巴西； 东南亚的印度尼西亚和菲律宾； 大洋洲的澳大利亚、新卡利多尼亚、巴布亚新几内亚等； 而俄罗斯、加拿大、南非等高纬度地区硫化镍矿储量丰富。
2020年，全球硫化镍矿产量最大的地区为南非（28.1%）、加拿大（18.6%）、俄罗斯（17.3%）； 红土镍矿产量最大的地区是印度尼西亚（18.7%）、澳大利亚（17.7%）和菲律宾（17.7%）。 占比10.1%。
我国镍储量为398万吨，约占全球的4.39%。 我国镍矿类型均为硫化镍矿和红土镍矿，其中以铜镍硫化矿为主，约占总量的90%，伴生矿产资源丰富，综合利用价值较高。 据工信部网站显示，2021年我国原生镍（以原料生产的镍产品，包括电解镍、镍生铁、镍盐等，折算成金属量）产量为66.9万吨，同比下降10.1%。 海关总署数据显示，2021年镍矿石和电解镍进口量分别为4352.9万吨和26.2万吨，同比增长11.4%和100%。
化学制备和常见反应
镍是铁系的第三种元素。 它看起来与铁和钴相同。 高纯度时，它是一种银白色金属，密度高，非常坚硬。 高纯度镍棒在实验室中常被用作电极。 颗粒状镍也是镍花，实验室中比较常用。
镍金属具有极高的稳定性。 当镍颗粒在高温火焰下直接燃烧时，有的部分会生成像铁一样的黑色氧化物，有的部分会被亮蓝色的氧化物包裹。 镍有三种氧化物，即氧化镍（NiO）、四氧化镍（Ni3O4）和三氧化镍（Ni2O3）。 三氧化镍仅在低温下稳定。 加热至400~450℃时，分解成四氧化镍，进一步升高温度，最终变成氧化镍。
高纯度镍还具有很强的耐酸腐蚀能力。 在硫酸中加热镍花只会产生少量气泡。 将其在室温下放置一周只会使溶液呈浅绿色。 很少有镍参与反应。 如果增加硫酸的浓度，镍就会像铁一样被钝化，表面会生成致密的氧化物来保护内部的镍，导致反应停止。
对于镍的强碱也是如此。 即使在熔化氢氧化物时，也主要使用镍制坩埚。 令人愤慨的是，与元素氟有关的反应实验也使用镍容器。 镍甚至不是一种被称为死亡元素的元素。 不怕氟（氟是卤族元素，单质氟化学性质极其活泼，是最强的氧化剂之一，在一定条件下甚至能与一些惰性气体发生反应）。
镍的化学性质过于稳定，因此实验室多使用颗粒较细的镍粉。 镍粉可以通过氧化镍与氢气反应来生产。 该反应产量小，纯度不高。
氧化镍和氢气加热生成镍粉和水
四羰基镍热分解可得到较纯的镍粉。 四羰基镍是一种剧毒气体。 蒸汽与空气混合，遇到火花就会爆炸，所以用这种东西很可能会产生镍。 镍，危险。 四羰基镍在实验室中很难保存，因此工业上常采用羰基镍粉来制备纯镍。 镍粉也可以通过分解镍（镍的另一种化合物）来制备。 深绿色结晶二环戊二烯基镍Ni(C5H5)2对热敏感，需与氮气一起保存。
镍粉的反应性很强，它与稀硫酸的反应与以前完全不同。 加热后会剧烈反应并很快溶解在硫酸中，溶液的颜色也变成绿色。 该溶液可纯化七水硫酸镍。 镍和稀硝酸的反应会比较剧烈，加热一会儿镍粉就会消失。
镍粉与稀硫酸的反应（上） 镍粉与稀硝酸的反应（下）
镍与强碱的反应与与强酸的反应完全不同。 镍粉甚至不能与大多数强碱发生反应。 制备氢氧化镍的唯一方法是将强碱制备的氢氧化镍添加到镍盐溶液中。
硫酸镍与氢氧化钾反应生成氢氧化镍和硫酸钾
镍粉和氧气很容易发生反应。 如果反应中掺杂一些水蒸气，镍粉甚至可以自燃。 所得氧化镍是绿色粉末，与抹茶粉完全相同。 它很容易与强酸反应形成化学物质。 镍盐。 与氧气长时间反应生成由三价镍组成的三氧化镍。 三价镍是一种超强氧化剂，在氧化反应过程中会被还原成稳定的二价镍。
镍粉很怕氨。 当镍粉和浓氨的混合物一起加热时，镍粉很容易被氨腐蚀。 氨对镍离子有很强的络合能力。 将浓氨水添加到镍盐溶液中。 氨能赶走镍盐水合物中的水，产生氨络离子。 在三元前驱体的制备中，需要一定浓度的氨水作为络合剂。
六水硫酸镍与浓氨反应
新能源行业应用
我们常见的三元锂电池NCM中的N是指镍。 NCM是指含锂的多层金属氧化物——镍钴锰酸锂-x-yO2。 制造镍钴锰酸锂、硫酸镍的原料中的镍有一部分被使用。 上一篇我们介绍的有关镍的各种常见反应和各种化合物，基本上都与三元锂前驱体的制备有关。
镍盐的种类很多，主要有硝酸镍、氯化镍等。 那么为什么只使用硫酸镍而不使用其他镍盐呢？ 氯化镍中存在氯离子，容易腐蚀不锈钢材料，对反应设备要求较高。 如果前驱体中残留有氯离子，在后续的烧结过程中很容易腐蚀窑炉； 硝酸镍价格高，且N03-硝酸根离子残留在前驱体中，烧结过程中会产生NO一氧化氮、NO2二氧化氮等有害气体，在工业生产中不使用。
硫酸镍的生产有三个来源，包括原料生产、镍铁溶解和废物产生：
镍铁直接溶解
化学法制备硫酸镍有着悠久的历史。 最简单的方法是用硝酸和硫酸的混合酸氧化并溶解金属镍。 这和我们上面提到的实验室里镍和强酸的反应是一样的。 即镍豆/镍粉直接溶解得到硫酸镍。 该方法设备复杂、腐蚀严重、利用率低、环境污染严重。 通过电解可回收电解镍，是纯镍产品。 每吨电解镍电耗800-。
原料生产
根据原料矿物不同分为硫化镍矿系和红土镍矿系两类； 高品位硫化镍矿很容易生产高冰镍，而高冰镍可生产电解镍和硫酸镍。 红土镍矿的情况比较复杂。 红土镍矿作为主要镍矿原料，呈层状。 上层品位低但储量高。 采用湿式高压酸浸法可加工成MHP等湿式中间产品； 下层品位高。 高，用火法。 目前，镍的主要生产路径是从低级红土镍矿通过火法RKEF生产镍铁，然后生产不锈钢（这条路径占50%以上）。
一般来说，红土镍矿生产硫酸镍的方法有四种：
湿式高压酸浸路，上部低品位红土镍矿加氢熔炼-MHP等湿式中间体-硫酸镍+硫酸钴；
火前硫化路径，将较低品位的红土镍矿火法熔炼硫化为低冰镍-高冰镍-硫酸镍；
热解后硫化路径，低品位高品位红土镍矿火法冶金-镍铁-高冰镍-硫酸镍；
富氧侧吹法采用熔炼炉代替电炉，原料适应性强，热反应效率高。 核心在于硫化方法的改变。
最具代表性的企业有瑞木、华友、青山、盛屯、中维等。
镍有色金属行业
作为有色金属大宗商品，镍期货也是行业风向标。 近期镍期货走势可谓是有涨有跌。 国内方面，3月上旬和中下旬沪镍两次上涨。 虽然如今已经回归到较为合理的价格，但伦敦金属交易所LME似乎还没有从“妖镍”闹剧中解脱出来。 LME 从铝到锌的六种主要金属合约的可用库存现已降至 1997 年以来的最低水平。
随着疫情后全球工业活动在2021年恢复，LME金属库存已经在下降，全球物流运输系统仍处于混乱状态。 俄乌冲突爆发后，俄罗斯作为高纯镍储量丰富的国家，从其供应商那里获取货品已经变得完全不可能了。 同时，当交易所库存较低时，也容易受到挤空的影响。 “怪物” 镍危机后，LME甚至对金属价格的市场波动设定了15%的上限。
在全球市场上，74%的镍金属用于不锈钢的生产，目前在电池应用中仅占5~8%。 不过，2021年中国新增纯电动汽车销量增长至上年的2.6倍。 以目前全球电动汽车销量发展趋势来看，电池应用需求有望进一步扩大。
目前，青山控股已从中国最大的镍铁生产商转型为全球最大的镍铁生产商。 也是伦敦金属交易所3月份LME“妖镍”事件的主角之一。 青山控股在印尼拥有两大工业园，2020年镍产量46万吨，未来将继续大幅扩张产能，以应对国内和全球快速增长的新能源电池需求。
行业前景
在镍钴锰酸锂三元材料中，镍呈现正二价，是主要的电化学活性元素。 三元材料NCM：让钴Co阻止镍锂Ni混合，让锰Mn稳定材料结构，镍Ni作为提供高容量的主力。 因此，目前主流的三元锂、锂电、锂电中镍含量越高，能量密度越高。 同时，镍的成本相对较低，高镍配方仍具有成本优势，因此客观上镍的整体需求将会增加。
但当前全球经济形势不容乐观，受疫情、逆全球化、美元加息周期、全球CPI飙升、民粹主义抬头、俄乌战争等多重因素影响，时刻影响着正常的经济活动和社会发展。 。 有色金属行业可以从LME库存中发现，全球产业链体系正在出现供需问题。 疫情导致生产停工和国际航运混乱。 全球大宗商品价格飙升。 PPI和CPI形成了可怕的剪刀差。 目前正处于美元加息周期。 由于疫情影响，一些国家已经出现国家破产危机。 黎巴嫩和斯里兰卡首当其冲。 未来会有更多的国家陷入经济困难，我国经济已明显进入滞胀。 因此，新能源产业能否持续快速增长，可能取决于诸多未知因素。 目前，国内电动汽车全面涨价。 PPI端的物价上涨最终会传导至CPI端。 美元已经从无限制的QE变成了即时加息。 50个基点，最终谁会抵挡一切？
回到镍的话题，作为一种不是很稀缺的有色金属，镍主要用于不锈钢。 从二级市场来看，新能源带来的增长已经体现在相应公司的股价上，而资本的速度总是最快的，市场表现也总是反映资本的预期。 未来镍的增长点可能来自于《原材料工业发展“十四五”规划》中提出的“城市矿山”资源开发。 有色金属 稀有金属回收。 或者我们可以抓住美元加息周期，在外汇储备遭到破坏的国家实施马歇尔计划。 放出来的水可以导向海外基础设施项目、控制产业链源头、控制能源、削弱美元霸权、获得国际友谊等，好处还是很多的，但别让水流了不再涉足房地产。
镍产业链非常清晰。 主要用途有镍合金（硬币）、电池（镍氢、镍铬、三元锂）、电镀、不锈钢等。 此外，它还可以成为许多化学反应不可缺少的催化剂。 纳米镍铁氧体在新兴材料领域具有重要价值。 它可以催化二氧化碳分解，将其转化为碳和氧，从而实现太空等高精度应用。 应用于前沿领域。 然而镍也与我们的生活息息相关。 平均而言，五分之一的人会对镍离子的存在产生轻度或严重的过敏反应。 镍甚至与诱发某些癌症有关。 因此，目前对于日常使用的不锈钢，应添加多少镍仍存在争议。
如果你戴久了钢表，手腕会烂，那么恭喜你，你对镍过敏。 它确实是由镍制成的。
（图/文/摄：太平洋汽车网洪晓峰）