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鋰電的大熱讓人們思考，電池的產業該如何發展、如何可持續地發展，隨著各個國家和地區針對鋰電推出了新政策，全球正在緊鑼密鼓地探討鋰電的發展計劃。

前些天，Science發表了（“影響全球！Science深度分析：歐盟電池新規，要求強制回收電池！”）

近日，Nature也對鋰電的未來和回收進行了展望分析，一起來看一下：

電動汽車的時代已經來臨。最近，通用汽車宣布，其目標是到2035年停止銷售汽油動力和柴油車型，奧迪計劃在2033年前停止生產這類汽車。許多其他汽車跨國公司也發布了類似的路線圖。

個人出行的電氣化正在加速發展，就連最狂熱的支持者幾年前可能也沒有夢想過。在許多國家，政府命令加速變革。但即使沒有新的政策或法規，根據BNEF咨詢公司的數據，到2035年，全球乘用車銷量的一半將是電動汽車。

國際能源署(IEA)在5月1日宣布，這種大規模的工業轉變標志著“從燃料密集型能源系統向材料密集型能源系統的轉變”。在未來的幾十年里，數以億計的汽車將上路，車上裝有巨大的電池。每一個電池都含有幾十公斤的有待開采的材料。

材料科學家們期待著一個由電動汽車主導的世界，他們正在研究兩大挑戰。

其一是如何減少電池中金屬的使用，這些金屬既稀缺、昂貴，又有問題，因為它們的開采帶來了嚴酷的環境和社會成本。

另一個是提高電池的回收利用，使廢舊汽車電池中的貴重金屬得到有效的再利用。

汽車制造商已經在降低電動汽車電池的制造和回收成本上花費了數十億美元，這在一定程度上是由于政府的激勵措施和對即將出臺的法規的預期。國家研究基金也成立了研究中心，研究制造和回收電池的更好方法。由于在大多數情況下，開采金屬仍然比回收金屬便宜，因此一個關鍵目標是開發回收有價值金屬的工藝，以足夠便宜的價格與新開采的金屬競爭。

鋰的未來

研究人員面臨的第一個挑戰是減少電動汽車電池需要開采的金屬量。數量取決于車輛的電池類型和模型，但一個汽車的鋰離子電池組(如NMC532)可能含有8公斤的鋰，鎳35公斤，20公斤的錳和14公斤的鈷。

分析師預計，在可預見的未來，鋰離子電池的成本大幅下降，鋰離子電池很可能會成為主導技術。盡管它們的性能有所提高，但現在的價格是20世紀90年代初作為小型便攜式電池首次進入市場時的1/30。BNEF預計，到2023年，鋰離子電動汽車電池組的成本將降至每千瓦時100美元以下，比現在低約20%。

陰極是電池性能的主要限制因素，也是最有價值的金屬所在的地方。典型鋰離子電池的陰極是一層薄薄的粘稠層，內含微尺度的晶體，其結構通常與自然存在于地殼或地幔中的礦物類似，如橄欖石或尖晶石。這種晶體將帶負電荷的氧與帶正電荷的鋰和其他各種金屬配對，通常是鎳、錳和鈷的混合物。給電池充電時，鋰離子會從這些氧化物晶體中分離出來，并將這些離子拉到一個石墨基的陽極上，它們被夾在碳原子層之間儲存起來。

鋰本身并不稀缺。BNEF在6月份的一份報告估計，根據美國地質調查局的數據，目前鋰的儲量為2100萬噸，足以讓人們在本世紀中葉將鋰轉化為電動汽車。儲量是一個可塑的概念，因為它們代表的是在當前價格下，在現有技術和監管要求下，可以經濟開采的資源數量。對于大多數原材料來說，如果需求上升，儲備最終也會上升。

▲玻利維亞一鹽灘的鋰生產設施中的鹽礦床

鋰礦開采的增加也有其自身的環境問題：目前的開采形式需要大量的能源(從巖石中提取鋰)或水(從鹽水中提取)。但更現代的技術，即從地熱水中提取鋰，利用地熱能來推動這一過程，被認為更為溫和。盡管會對環境造成損害，但開采鋰將有助于取代破壞性的化石燃料開采。

研究人員更擔心的是鈷，它是目前電動汽車電池最有價值的成分。全球三分之二的石油都在剛果開采。人權活動人士對那里的條件表示擔憂，特別是童工和對工人健康的危害；與其他重金屬一樣，如果處理不當，鈷也是有毒的。可以利用其他資源，比如在海底發現的富含金屬的“結核”，但它們也會對環境造成危害。電動汽車電池的另一主要成分鎳也可能面臨短缺。

管理金屬

為了解決原材料的問題，一些實驗室一直在試驗低鈷或無鈷陰極。但是陰極材料必須經過精心設計，這樣即使超過一半的鋰離子在充電過程中被移除，它們的晶體結構也不會破裂。材料科學家Arumugam Manthiram說，完全放棄鈷通常會降低電池的能量密度，因為它改變了陰極的晶體結構，以及它與鋰的結合程度。

Manthiram是解決這個問題的研究人員之一，他證明鈷可以從陰極中去除而不影響其性能，至少在實驗室里是這樣。Manthiram說：“我們報道的無鈷材料具有與氧化鈷鋰相同的晶體結構，因此具有相同的能量密度”，甚至更好。他的團隊通過微調陰極的生產方式和添加少量其他金屬來實現這一點，同時保留陰極的鈷氧化物晶體結構。Manthiram說，采用現有的這種方法應該很簡單。

韓國首爾漢陽大學的Sun Yang-Kook在無鈷陰極中取得了類似的性能。他說，在制造新的陰極過程中可能還存在一些技術問題，因為這一過程依賴于精煉富含鎳的礦石，而這需要昂貴的純氧環境。但許多研究人員現在認為鈷的問題基本上解決了。Manthiram和Sun已經證明，你可以在沒有鈷的情況下制造出非常好的材料，而且性能也非常好。

▲剛果的工人們在一個礦場附近提取鈷

鎳雖然沒有鈷貴，但也不便宜。研究人員也想換掉它。位于加州伯克利的勞倫斯伯克利國家實驗室的材料科學家Gerbrand Ceder表示：“我們已經解決了鈷的短缺問題，但由于我們的規模擴張速度太快，我們正直接面對鎳的問題。”但是要同時去除鈷和鎳，陰極材料需要轉換到完全不同的晶體結構。

一種方法是采用一種叫做無序巖鹽的材料。它們得名于它們的立方晶體結構，類似于氯化鈉，氧扮演了氯的角色，而重金屬的混合物取代了鈉。在過去的十年中，Ceder的團隊和其他研究小組已經證明，某些富含鋰的巖鹽可以讓鋰輕松地進出，這是使反復充電成為可能的關鍵特性。但是，與傳統的陰極材料不同，無序的巖鹽在此過程中不需要鈷或鎳來保持穩定。Ceder說，特別是，它們可以用錳來制造，錳既便宜又豐富。

更好地回收

如果不使用鈷制造電池，研究人員將面臨意想不到的后果，這種金屬是使回收電池經濟的主要因素，因為其他材料，特別是鋰，目前開采比回收更便宜。

在一個典型的回收工廠，電池首先被粉碎，然后將電池變成所有使用材料的粉末狀混合物。然后，通過在熔爐中液化(火法冶金)或在酸中溶解(濕法冶金)，混合物被分解成其基本成分。最后，金屬作為鹽從溶液中析出。

研究工作集中在改進工藝，使回收的鋰具有經濟吸引力。絕大多數鋰離子電池是在中國、日本和韓國生產的；因此，那里的回收能力增長最快。例如，據一位發言人介紹，總部位于佛山的邦普循環（CATL的子公司）每年可回收12萬噸電池。這相當于20多萬輛汽車的使用量，而且該公司能夠回收大部分鋰、鈷和鎳。倫敦咨詢公司Circular Energy Storage的董事總經理Hans Eric Melin表示，政府也在鼓勵這種做法：中國已經對從回收企業實施了財政和監管激勵措施。

歐盟委員會提出了嚴格的電池回收要求，可能從2023年開始逐步實施，盡管歐盟發展國內回收產業的前景還不確定。與此同時，美國政府想要花費數十億美元來培育國內電動汽車電池制造業，并支持回收利用，但除了現有的立法以外，還沒有提出將電池列為必須安全處理的危險廢物的規定。一些北美的初創企業表示，它們已經能夠回收電池中的大部分金屬，包括鋰，其成本與開采這些金屬的成本相比具有競爭力，盡管分析師表示，在目前階段，整體經濟優勢只在于鈷。

▲磨碎的電池粉

一種更激進的方法是重新利用陰極晶體，而不是像水力冶金和高溫冶金那樣破壞它們的結構。由Spangenberger管理的1500萬美元合作項目ReCell包括三個國家實驗室、三所大學和眾多行業參與者。該公司正在開發技術，使回收者能夠提取陰極晶體并轉售。在電池被粉碎后，一個關鍵步驟是用熱、化學或其他方法將陰極材料與其余材料分離。“我們如此熱衷于保留晶體結構的原因是，把它放在一起需要大量的能量和技術。這就是很多價值所在，”ReCell首席分析師、Argonne的物理化學家Linda Gaines說。

Gaines說，這些再處理技術適用于一系列晶體結構和組成。但是，如果回收中心接收到的廢物中包含多種類型的電池，各種類型的陰極材料將最終進入回收坩堝。這可能會使分離不同陰極晶體類型的工作復雜化。雖然ReCell開發的工藝可以很容易地從其他類型的電池中分離出鎳、錳和鈷，例如那些使用磷酸鐵鋰的電池，但他們很難將兩種電池分離出來，這兩種電池都含有鈷和鎳，但比例不同。Spangenberger說，由于這個和其他原因，電池攜帶某種標準化的條形碼，告訴回收者里面是什么，這將是至關重要的。

另一個潛在的障礙是陰極的化學性質在不斷變化。10-15年后，也就是現在汽車生命周期的末期，制造商將使用的陰極很可能與現在的陰極截然不同。對制造商來說，最有效的回收材料的方法可能是在生命周期結束時收集自己的電池。Gaines補充說，電池應該從頭開始設計，使其更容易拆卸。

萊斯特大學的材料科學家Andrew Abbott認為，如果跳過粉碎階段，直接將電池拆解，回收將更有利可圖。他和他的合作者已經開發出一種利用超聲波分離陰極材料的技術。這種方法在扁平包裝的電池中效果最好。Abbott補充說，這種方法可以使回收材料比原始金屬便宜得多。他參與了英國政府一項價值1400萬英鎊的電池可持續性研究計劃。

發展規模化

無論哪種回收流程成為標準，規模化都將有所幫助。盡管媒體報道傾向于將即將到來的廢電池泛濫描述為一場迫在眉睫的危機，但分析人士認為這是一個巨大的機遇。一旦數以百萬計的大型電池開始使用壽命結束，規模經濟將開始發揮作用，使回收更有效，其商業案例也更有吸引力。

分析人士表示，鉛酸電池的例子讓人有理由感到樂觀。由于鉛是有毒的，這些電池被歸類為危險廢物，必須安全處理。但是，一個高效的工業已經發展起來，轉而回收它們，盡管鉛很便宜。超過98%的鉛酸電池得到了回收，鉛酸電池的價值甚至低于鋰離子電池。但由于規模大，無論如何回收都是有意義的。

在鋰離子電池市場完全成熟之前，可能還需要一段時間，部分原因是這些電池已經變得異常耐用：目前的汽車電池可以使用20年。Melin說，在今天銷售的一輛典型的電動汽車中，電池組的壽命將會比安裝它的汽車更長。

這意味著，當舊的電動汽車被送去報廢時，電池通常既不會被扔掉，也不會被回收。相反，它們被取出并用于要求較低的應用，如固定能源存儲或驅動船只（梯次利用）。經過10年的使用，一款汽車電池，如日產Leaf，最初的容量為50千瓦時，最多將損失20%的容量。

國際能源署5月份的另一份報告包括了到本世紀中葉實現全球凈零排放的路線圖，其中包括將電力運輸作為基石。國際能源署一向以謹慎的預測著稱。相信這是可以實現的，這反映了決策者、研究人員和制造商之間越來越多的共識，即電動汽車面臨的挑戰現在已經完全可以解決，如果我們希望將氣候變化保持在可控水平，就不能再浪費時間了。

但一些研究人員抱怨稱，就電池對環境的影響而言，電動汽車似乎被設定了一個不可能的標準。卡馬斯說：“如果堅持一個完美的解決方案，而放棄一個好的解決方案，那將是不幸的，而且會適得其反。當然，這并不意味著我們不應該在電池處理問題上積極努力。”

原文鏈接：

https：//doi.org/10.1038/d41586-021-02222-1

原創文章，作者：科研小搬磚，如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2023/10/25/40023a6e8d/

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