【太平洋汽车网技术频道】镍是传统镍氢、镍铬电池的重要原料，最重要的是，它是目前最火的新能源汽车动力电池——三元锂电池正极材料的主要原料之一。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，让镍这种有色金属进入人们的视野。今天我们不是来介绍三元锂电池，也不是来介绍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，再到三元锂中镍原料的制备，让大家全面了解镍。如果大家对这样的科普内容感兴趣，我们以后还会给大家带来与新能源行业相关的其他基本元素的科普介绍。
镍元素介绍
镍是第28位元素，属于第VIII族，相对原子质量为58.71，熔点为1453℃±1℃，沸点为2800℃。天然存在的镍有5种稳定同位素：61Ni1.7%、62Ni3.66%、64Ni1.66%。镍在主要化合物中常见+2、+3、+4价态。镍的许多物理化学性质与钴和铁相似。由于它与铜相邻，所以在氧亲和力和硫亲和力方面更接近铜。
最常见的用途就是制作不锈钢和硬币。镍币是澳大利亚、新西兰、俄罗斯等镍储量丰富的国家的常见硬币。一些面值稍大的硬币，其设计完全是按照重量大小来设计的，一枚就能砸死一个人。放在口袋里一把就有好几公斤重，在实际使用中肯定是负担，但对乾坤一指来说，可能就是史诗级的增强了。
储量分布及产量
作为常见的金属，有观点认为，它的巨量储藏在我们的地球核心中，已经无法想象了。作为陨铁的重要组成成分，我国新疆等一些地方，甚至可以在地表直接捡到类似镍橄榄石的金属块。铁镍合金极其常见，在陨石中的含量也很高。主要来源应该还是在地壳中。许多国家都有丰富的镍矿储量，镍与其他金属共生的情况很常见。
根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）》，截至2020年，全球镍矿储量9063万吨，资源量2.6亿吨。根据美国地质调查局数据，2020年全球镍矿储量约9400万吨，其中60%为红土镍矿，40%为硫化镍矿。
世界红土镍矿分布在赤道南北30度以内的热带国家，在环太平洋的热带、亚热带地区较为集中，主要在：美洲的古巴、巴西；东南亚的印度尼西亚、菲律宾；大洋洲的澳大利亚、新喀里多尼亚、巴布亚新几内亚；俄罗斯、加拿大、南非等高海拔地区均有丰富的硫化镍矿储量。
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为印尼18.7%、澳大利亚17.7%、菲律宾10.1%。
中国镍矿储量398万吨，约占全球的4.39%。我国镍矿类型既有硫化镍矿，也有红土镍矿，以硫化铜镍矿为主，约占90%，且伴生矿多，综合利用价值高。据工信部网站消息，2021年我国原生镍(以原生料生产出来的镍产品，包括电解镍、含镍生铁、镍盐等，折合成金属量)产量66.9万吨，同比下降10.1%。据海关总署数据，2021年进口镍矿4352.9万吨、电解镍26.2万吨，同比分别增长11.4%和100%。
化学制备和常见反应
镍是铁系第三元素，外观与铁、钴相同，在高纯度条件下，是银白色金属，密度极高，硬度极高。实验室常用高纯度镍棒做电极，颗粒状镍又叫镍花，在实验室使用较多。
镍金属极其稳定，镍粒在高温火焰下直接燃烧，有些部位会生成类似铁的黑色氧化物，有些部位则会被鲜艳的蓝色氧化物覆盖。镍有三种氧化物，分别是氧化镍（NiO）、四氧化镍（Ni3O4）和三氧化镍（Ni2O3）。三氧化镍只在低温下稳定，加热到400~450℃时解离为四氧化镍，继续升高温度最终又会变成氧化镍。
高纯度的镍还具有很强的抗酸腐蚀能力。镍花在硫酸中加热时，只会产生少量的气泡，如果在室温下放置一周，溶液也只会变成微微的绿色。参与反应的镍量少得可怜。如果提高硫酸的浓度，镍就会像铁一样被钝化，表面会形成一层致密的氧化物来保护里面的镍，导致反应停止。
强碱对镍也是如此，即便是熔化氢氧化物，也主要用镍坩埚。离谱的是，单质氟的相关反应实验，也用镍制容器，镍连被称为死元素的单质氟都不怕（氟是卤素，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，甚至可以和一些惰性气体发生反应）。
镍的化学性质太稳定，所以实验室使用的镍粉大多是较细的颗粒。氧化镍与氢气反应可以制得镍粉，但此反应的产量较少，且纯度不高。
氧化镍与氢气加热生成镍粉和水
较纯的镍粉是由四羰基镍热分解而得到的。四羰基镍是剧毒气体，其蒸气与空气混合遇到火花就会爆炸。因此用这个东西来炼镍很可能会炼出镍，很危险。四羰基镍在实验室中难以保存，所以工业上常使用羰基镍粉来制备纯镍。镍粉也可以通过分解另一种镍化合物二茂镍来制备。深绿色结晶的二茂镍Ni(C5H5)2对热敏感，需在氮气中保存。
镍粉很活泼，它与稀硫酸的反应与以前完全不同，加热后会剧烈反应，很快溶解于硫酸中，溶液颜色变成绿色，此溶液可用来提纯七水硫酸镍。镍与稀硝酸反应更剧烈，稍加热后镍粉便消失。
镍粉与稀硫酸的反应（上） 镍粉与稀硝酸的反应（下）
镍与强碱的反应和与强酸的反应完全不同，镍粉甚至不能和大多数强碱发生反应，而氢氧化镍的制备只能采用将强碱加入镍盐溶液中生成氢氧化镍这种粗暴的方法。
硫酸镍与氢氧化钾反应生成氢氧化镍和硫酸钾
镍粉和氧气极易发生反应，如果反应中加入水蒸气，镍粉甚至会自燃，生成的氧化镍为绿色粉末，与抹茶粉一模一样。易与强酸反应生成相应的镍盐。长期与氧气反应生成由三价镍组成的三氧化镍。三价镍是超强氧化剂，在氧化反应中会被还原为稳定的二价镍。
镍粉很怕氨，当将镍粉和浓氨水混合在一起加热时，镍粉很容易被氨水腐蚀。氨水对镍离子有非常强的络合能力，当在镍盐溶液中加入浓氨水时，氨水能赶走镍盐水合物中的水分，形成氨络合离子。在三元前驱体的制备中，需要一定浓度的氨水作为络合剂。
六水硫酸镍与浓氨水的反应
新能源行业应用
常见的三元锂电池NCM中的N指的是镍，NCM是指含锂的多层金属氧化物——镍钴锰氧化物-x-yO2，制作镍钴锰氧化物的原料中镍的部分是硫酸镍，前面介绍的关于镍的各种常见反应、各种化合物，基本都和三元锂前驱体的制备有关。
镍盐种类繁多，有硝酸镍、氯化镍等，那为何只采用硫酸镍而不采用其他镍盐呢？氯化镍中氯离子的存在，易腐蚀不锈钢，对反应设备要求较高。若前驱体中残留氯离子，在后续的烧结过程中，易腐蚀窑炉；硝酸镍价格昂贵，前驱体中残留N03-硝酸根离子，在烧结过程中会产生NO一氧化氮、NO2二氧化氮等有害气体，因此在工业生产中不采用。
硫酸镍的生产有原料生产、镍铁溶解、废弃物生产三个来源：
镍铁直接溶解
化学法获得硫酸镍历史悠久，最简单的方法是用硝酸和硫酸的混合酸将金属镍氧化溶解，和我们上面讲的实验室中镍和强酸的反应是一样的。也就是直接溶解镍豆/镍粉，得到硫酸镍。此法设备复杂，腐蚀严重，利用率低，环境污染严重。再通过电解可以得到电解镍，即纯镍产品。每吨电解镍的电耗为800-。
原材料生产
根据原料矿物不同，分为硫化镍矿和红土镍矿线两种类型；硫化镍矿品位高，易产出高品位镍冰铜，高品位镍冰铜可产出电解镍和硫酸镍。红土镍矿较为复杂，作为最重要的镍矿原料，红土镍矿呈层状，上层品位低但储量丰富，经湿法高压酸浸可加工成MHP等湿法中间产品；下层品位高，经热解处理。目前镍的主要生产路线是红土镍矿下层经热解RKEF制得镍铁，进而制得不锈钢（此路线占50%以上）。
一般来说，利用红土镍矿生产硫酸镍的方法有四种：
湿法高压酸浸路线，上层低品位红土镍矿湿法冶炼—MHP及其他湿法中间体—硫酸镍+硫酸钴；
火法预硫化路线为下层高品位红土镍矿火法硫化为低品位镍冰铜—高品位镍冰铜—硫酸镍；
火法后硫化路线，下层高品位红土镍矿火法冶炼—镍铁—高品位镍冰铜—硫酸镍；
富氧侧吹法以冶炼炉替代电炉，对原料的适用性强，提高热反应效率，核心在于硫化方式的改变。
其中最具代表性的企业有瑞木、华友、青山、盛屯、中威等。
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。近期镍期货走势跌宕起伏，国内方面，沪镍在3月初和中下旬两度上涨，虽然今日已经回归较为合理的价格位置，但伦敦金属交易所（LME）似乎并未摆脱“妖镍”闹剧，从铝到锌，LME六大金属合约的可用库存目前已降至1997年以来的最低水平。
由于2021年是疫情后的全球工业活动，LME的金属库存不断下降，全球物流和航运系统仍然处于混乱状态。俄乌冲突爆发后，拥有丰富高纯度镍储备的俄罗斯从其供应商处获得货物变得完全不可能。同时，当交易所库存较低时，也容易受到空头挤压的打击。在“妖镍”事件后，LME甚至对金属价格的市场波动率设定了15%的上限。
全球市场中，74%的金属镍用于不锈钢生产制造，目前仅有5-8%用于电池。但2021年中国纯电动汽车新销量较上年增长2.6倍。从目前全球电动汽车发展趋势来看，电池用量需求有望进一步扩大。
青山控股作为中国最大的镍铁生产商，已转型为全球最大的镍铁生产商，是3月份伦敦金属交易所（LME）“镍魔”事件的主角之一。青山控股在印尼拥有两大工业园，2020年镍产量达46万吨，未来还将继续大幅扩张，满足中国及全球快速增长的新能源电池需求。
行业前景
在镍钴锰氧化物三元材料中，镍为二价，是主要的电化学活性元素。三元材料NCM：钴Co用来防止镍锂Ni混排，锰Mn用来稳定材料结构，镍Ni则是提供高容量的主力。因此，目前主流的三元锂中镍含量越高，能量密度也就越高。同时镍的成本相对较低，高镍配方在成本上还是有优势的，所以客观上镍的整体需求会有所提升。
但当前全球经济形势不容乐观，受多重因素影响，疫情、逆全球化、美元加息周期、全球CPI飙升、民粹主义兴起、俄乌战争等，无时无刻不在影响正常的经济活动和社会发展。从LME仓存量来看，有色金属行业可以发现全球产业链体系供需出现问题，疫情造成停工停产，国际航运混乱，全球大宗商品价格飙升，PPI-CPI产生恐怖的剪刀差，目前正处于美元加息周期，疫情冲击已经让一些国家面临国家破产的危机，黎巴嫩、斯里兰卡首当其冲，未来还会有更多国家陷入经济困境，我国经济已经明显进入滞胀，因此新能源行业能否继续保持高速增长，或将取决于诸多未知因素。 目前国内电动车全面涨价，PPI端的涨价最终会传导到CPI端，美元从无限QE到瞬间加息50个基点，最终谁来承担这一切？
回到镍的话题，镍作为一种并不算稀缺的有色金属，主要应用于不锈钢。从二级市场来看，新能源端带来的增长已经反映在相应公司的股价上。资本的速度永远是最快的，市场表现永远体现资本的预期。未来镍的增长或许可以从《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、稀有金属的回收再利用等方面挖掘。或者抓住美元加息周期，在外汇储备被破坏的国家实施马歇尔计划，放出来的水可以导向海外基建项目，控制产业链源头、控制能源、削弱美元霸权、获得国际友谊等诸多好处，别再让水流进房地产。
镍的产业链非常清晰，其主要用途是镍合金（造币）、电池（镍氢、镍铬、三元锂）、电镀、不锈钢等。此外，它还能成为很多化学反应不可或缺的催化剂。纳米镍铁氧体在新兴材料领域具有重要价值，可以催化二氧化碳分解，重新变成碳和氧，从而应用于航天等高科技领域。不过，镍也与我们的生活息息相关，平均每五人中就有一人会对镍离子产生轻度或严重的过敏反应，镍甚至被指会诱发某些癌症，因此日常使用的不锈钢中应该添加多少镍还存在争议。
如果长时间佩戴钢表后，你的手腕出现酸痛感，那么恭喜你，你对镍过敏，这确实是人造镍。
（图/文/摄：太平洋汽车网 洪晓峰）