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鋰電的大熱讓人們思考，電池的產(chǎn)業(yè)該如何發(fā)展、如何可持續(xù)地發(fā)展，隨著各個(gè)國(guó)家和地區(qū)針對(duì)鋰電推出了新政策，全球正在緊鑼密鼓地探討鋰電的發(fā)展計(jì)劃。

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

近日，Nature也對(duì)鋰電的未來(lái)和回收進(jìn)行了展望分析，一起來(lái)看一下：

電動(dòng)汽車的時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨。最近，通用汽車宣布，其目標(biāo)是到2035年停止銷售汽油動(dòng)力和柴油車型，奧迪計(jì)劃在2033年前停止生產(chǎn)這類汽車。許多其他汽車跨國(guó)公司也發(fā)布了類似的路線圖。

個(gè)人出行的電氣化正在加速發(fā)展，就連最狂熱的支持者幾年前可能也沒(méi)有夢(mèng)想過(guò)。在許多國(guó)家，政府命令加速變革。但即使沒(méi)有新的政策或法規(guī)，根據(jù)BNEF咨詢公司的數(shù)據(jù)，到2035年，全球乘用車銷量的一半將是電動(dòng)汽車。

國(guó)際能源署(IEA)在5月1日宣布，這種大規(guī)模的工業(yè)轉(zhuǎn)變標(biāo)志著“從燃料密集型能源系統(tǒng)向材料密集型能源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變”。在未來(lái)的幾十年里，數(shù)以億計(jì)的汽車將上路，車上裝有巨大的電池。每一個(gè)電池都含有幾十公斤的有待開采的材料。

材料科學(xué)家們期待著一個(gè)由電動(dòng)汽車主導(dǎo)的世界，他們正在研究?jī)纱筇魬?zhàn)。

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(wèn)題，因?yàn)樗鼈兊拈_采帶來(lái)了嚴(yán)酷的環(huán)境和社會(huì)成本。

另一個(gè)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(jīng)在降低電動(dòng)汽車電池的制造和回收成本上花費(fèi)了數(shù)十億美元，這在一定程度上是由于政府的激勵(lì)措施和對(duì)即將出臺(tái)的法規(guī)的預(yù)期。國(guó)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(shù)情況下，開采金屬仍然比回收金屬便宜，因此一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)是開發(fā)回收有價(jià)值金屬的工藝，以足夠便宜的價(jià)格與新開采的金屬競(jìng)爭(zhēng)。

鋰的未來(lái)

研究人員面臨的第一個(gè)挑戰(zhàn)是減少電動(dòng)汽車電池需要開采的金屬量。數(shù)量取決于車輛的電池類型和模型，但一個(gè)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(yù)計(jì)，在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，鋰離子電池的成本大幅下降，鋰離子電池很可能會(huì)成為主導(dǎo)技術(shù)。盡管它們的性能有所提高，但現(xiàn)在的價(jià)格是20世紀(jì)90年代初作為小型便攜式電池首次進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)的1/30。BNEF預(yù)計(jì)，到2023年，鋰離子電動(dòng)汽車電池組的成本將降至每千瓦時(shí)100美元以下，比現(xiàn)在低約20%。

陰極是電池性能的主要限制因素，也是最有價(jià)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(nèi)含微尺度的晶體，其結(jié)構(gòu)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(fù)電荷的氧與帶正電荷的鋰和其他各種金屬配對(duì)，通常是鎳、錳和鈷的混合物。給電池充電時(shí)，鋰離子會(huì)從這些氧化物晶體中分離出來(lái)，并將這些離子拉到一個(gè)石墨基的陽(yáng)極上，它們被夾在碳原子層之間儲(chǔ)存起來(lái)。

鋰本身并不稀缺。BNEF在6月份的一份報(bào)告估計(jì)，根據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的數(shù)據(jù)，目前鋰的儲(chǔ)量為2100萬(wàn)噸，足以讓人們?cè)诒臼兰o(jì)中葉將鋰轉(zhuǎn)化為電動(dòng)汽車。儲(chǔ)量是一個(gè)可塑的概念，因?yàn)樗鼈兇淼氖窃诋?dāng)前價(jià)格下，在現(xiàn)有技術(shù)和監(jiān)管要求下，可以經(jīng)濟(jì)開采的資源數(shù)量。對(duì)于大多數(shù)原材料來(lái)說(shuō)，如果需求上升，儲(chǔ)備最終也會(huì)上升。

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▲玻利維亞一鹽灘的鋰生產(chǎn)設(shè)施中的鹽礦床

鋰礦開采的增加也有其自身的環(huán)境問(wèn)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(xiàn)代的技術(shù)，即從地?zé)崴刑崛′嚕玫責(zé)崮軄?lái)推動(dòng)這一過(guò)程，被認(rèn)為更為溫和。盡管會(huì)對(duì)環(huán)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(dān)心的是鈷，它是目前電動(dòng)汽車電池最有價(jià)值的成分。全球三分之二的石油都在剛果開采。人權(quán)活動(dòng)人士對(duì)那里的條件表示擔(dān)憂，特別是童工和對(duì)工人健康的危害；與其他重金屬一樣，如果處理不當(dāng)，鈷也是有毒的。可以利用其他資源，比如在海底發(fā)現(xiàn)的富含金屬的“結(jié)核”，但它們也會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害。電動(dòng)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(wèn)題，一些實(shí)驗(yàn)室一直在試驗(yàn)低鈷或無(wú)鈷陰極。但是陰極材料必須經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，這樣即使超過(guò)一半的鋰離子在充電過(guò)程中被移除，它們的晶體結(jié)構(gòu)也不會(huì)破裂。材料科學(xué)家Arumugam Manthiram說(shuō)，完全放棄鈷通常會(huì)降低電池的能量密度，因?yàn)樗淖兞岁帢O的晶體結(jié)構(gòu)，以及它與鋰的結(jié)合程度。

Manthiram是解決這個(gè)問(wèn)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(shí)驗(yàn)室里是這樣。Manthiram說(shuō)：“我們報(bào)道的無(wú)鈷材料具有與氧化鈷鋰相同的晶體結(jié)構(gòu)，因此具有相同的能量密度”，甚至更好。他的團(tuán)隊(duì)通過(guò)微調(diào)陰極的生產(chǎn)方式和添加少量其他金屬來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，同時(shí)保留陰極的鈷氧化物晶體結(jié)構(gòu)。Manthiram說(shuō)，采用現(xiàn)有的這種方法應(yīng)該很簡(jiǎn)單。

韓國(guó)首爾漢陽(yáng)大學(xué)的Sun Yang-Kook在無(wú)鈷陰極中取得了類似的性能。他說(shuō)，在制造新的陰極過(guò)程中可能還存在一些技術(shù)問(wèn)題，因?yàn)檫@一過(guò)程依賴于精煉富含鎳的礦石，而這需要昂貴的純氧環(huán)境。但許多研究人員現(xiàn)在認(rèn)為鈷的問(wèn)題基本上解決了。Manthiram和Sun已經(jīng)證明，你可以在沒(méi)有鈷的情況下制造出非常好的材料，而且性能也非常好。

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▲剛果的工人們?cè)谝粋€(gè)礦場(chǎng)附近提取鈷

鎳雖然沒(méi)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室的材料科學(xué)家Gerbrand Ceder表示：“我們已經(jīng)解決了鈷的短缺問(wèn)題，但由于我們的規(guī)模擴(kuò)張速度太快，我們正直接面對(duì)鎳的問(wèn)題。”但是要同時(shí)去除鈷和鎳，陰極材料需要轉(zhuǎn)換到完全不同的晶體結(jié)構(gòu)。

一種方法是采用一種叫做無(wú)序巖鹽的材料。它們得名于它們的立方晶體結(jié)構(gòu)，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(guò)去的十年中，Ceder的團(tuán)隊(duì)和其他研究小組已經(jīng)證明，某些富含鋰的巖鹽可以讓鋰輕松地進(jìn)出，這是使反復(fù)充電成為可能的關(guān)鍵特性。但是，與傳統(tǒng)的陰極材料不同，無(wú)序的巖鹽在此過(guò)程中不需要鈷或鎳來(lái)保持穩(wěn)定。Ceder說(shuō)，特別是，它們可以用錳來(lái)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(jīng)濟(jì)的主要因素，因?yàn)槠渌牧希貏e是鋰，目前開采比回收更便宜。

在一個(gè)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(guò)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(jìn)工藝，使回收的鋰具有經(jīng)濟(jì)吸引力。絕大多數(shù)鋰離子電池是在中國(guó)、日本和韓國(guó)生產(chǎn)的；因此，那里的回收能力增長(zhǎng)最快。例如，據(jù)一位發(fā)言人介紹，總部位于佛山的邦普循環(huán)（CATL的子公司）每年可回收12萬(wàn)噸電池。這相當(dāng)于20多萬(wàn)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(jīng)理Hans Eric Melin表示，政府也在鼓勵(lì)這種做法：中國(guó)已經(jīng)對(duì)從回收企業(yè)實(shí)施了財(cái)政和監(jiān)管激勵(lì)措施。

歐盟委員會(huì)提出了嚴(yán)格的電池回收要求，可能從2023年開始逐步實(shí)施，盡管歐盟發(fā)展國(guó)內(nèi)回收產(chǎn)業(yè)的前景還不確定。與此同時(shí)，美國(guó)政府想要花費(fèi)數(shù)十億美元來(lái)培育國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車電池制造業(yè)，并支持回收利用，但除了現(xiàn)有的立法以外，還沒(méi)有提出將電池列為必須安全處理的危險(xiǎn)廢物的規(guī)定。一些北美的初創(chuàng)企業(yè)表示，它們已經(jīng)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(jìng)爭(zhēng)力，盡管分析師表示，在目前階段，整體經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)只在于鈷。

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▲磨碎的電池粉

一種更激進(jìn)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(jié)構(gòu)。由Spangenberger管理的1500萬(wàn)美元合作項(xiàng)目ReCell包括三個(gè)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、三所大學(xué)和眾多行業(yè)參與者。該公司正在開發(fā)技術(shù)，使回收者能夠提取陰極晶體并轉(zhuǎn)售。在電池被粉碎后，一個(gè)關(guān)鍵步驟是用熱、化學(xué)或其他方法將陰極材料與其余材料分離。“我們?nèi)绱藷嶂杂诒Ａ艟w結(jié)構(gòu)的原因是，把它放在一起需要大量的能量和技術(shù)。這就是很多價(jià)值所在，”ReCell首席分析師、Argonne的物理化學(xué)家Linda Gaines說(shuō)。

Gaines說(shuō)，這些再處理技術(shù)適用于一系列晶體結(jié)構(gòu)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(jìn)入回收坩堝。這可能會(huì)使分離不同陰極晶體類型的工作復(fù)雜化。雖然ReCell開發(fā)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(lái)，這兩種電池都含有鈷和鎳，但比例不同。Spangenberger說(shuō)，由于這個(gè)和其他原因，電池?cái)y帶某種標(biāo)準(zhǔn)化的條形碼，告訴回收者里面是什么，這將是至關(guān)重要的。

另一個(gè)潛在的障礙是陰極的化學(xué)性質(zhì)在不斷變化。10-15年后，也就是現(xiàn)在汽車生命周期的末期，制造商將使用的陰極很可能與現(xiàn)在的陰極截然不同。對(duì)制造商來(lái)說(shuō)，最有效的回收材料的方法可能是在生命周期結(jié)束時(shí)收集自己的電池。Gaines補(bǔ)充說(shuō)，電池應(yīng)該從頭開始設(shè)計(jì)，使其更容易拆卸。

萊斯特大學(xué)的材料科學(xué)家Andrew Abbott認(rèn)為，如果跳過(guò)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(jīng)開發(fā)出一種利用超聲波分離陰極材料的技術(shù)。這種方法在扁平包裝的電池中效果最好。Abbott補(bǔ)充說(shuō)，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(guó)政府一項(xiàng)價(jià)值1400萬(wàn)英鎊的電池可持續(xù)性研究計(jì)劃。

發(fā)展規(guī)模化

無(wú)論哪種回收流程成為標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)模化都將有所幫助。盡管媒體報(bào)道傾向于將即將到來(lái)的廢電池泛濫描述為一場(chǎng)迫在眉睫的危機(jī)，但分析人士認(rèn)為這是一個(gè)巨大的機(jī)遇。一旦數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的大型電池開始使用壽命結(jié)束，規(guī)模經(jīng)濟(jì)將開始發(fā)揮作用，使回收更有效，其商業(yè)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(lè)觀。由于鉛是有毒的，這些電池被歸類為危險(xiǎn)廢物，必須安全處理。但是，一個(gè)高效的工業(yè)已經(jīng)發(fā)展起來(lái)，轉(zhuǎn)而回收它們，盡管鉛很便宜。超過(guò)98%的鉛酸電池得到了回收，鉛酸電池的價(jià)值甚至低于鋰離子電池。但由于規(guī)模大，無(wú)論如何回收都是有意義的。

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

這意味著，當(dāng)舊的電動(dòng)汽車被送去報(bào)廢時(shí)，電池通常既不會(huì)被扔掉，也不會(huì)被回收。相反，它們被取出并用于要求較低的應(yīng)用，如固定能源存儲(chǔ)或驅(qū)動(dòng)船只（梯次利用）。經(jīng)過(guò)10年的使用，一款汽車電池，如日產(chǎn)Leaf，最初的容量為50千瓦時(shí)，最多將損失20%的容量。

國(guó)際能源署5月份的另一份報(bào)告包括了到本世紀(jì)中葉實(shí)現(xiàn)全球凈零排放的路線圖，其中包括將電力運(yùn)輸作為基石。國(guó)際能源署一向以謹(jǐn)慎的預(yù)測(cè)著稱。相信這是可以實(shí)現(xiàn)的，這反映了決策者、研究人員和制造商之間越來(lái)越多的共識(shí)，即電動(dòng)汽車面臨的挑戰(zhàn)現(xiàn)在已經(jīng)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(fèi)時(shí)間了。

但一些研究人員抱怨稱，就電池對(duì)環(huán)境的影響而言，電動(dòng)汽車似乎被設(shè)定了一個(gè)不可能的標(biāo)準(zhǔn)。卡馬斯說(shuō)：“如果堅(jiān)持一個(gè)完美的解決方案，而放棄一個(gè)好的解決方案，那將是不幸的，而且會(huì)適得其反。當(dāng)然，這并不意味著我們不應(yīng)該在電池處理問(wèn)題上積極努力。”

原文鏈接：

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

原創(chuàng)文章，作者：科研小搬磚，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來(lái)源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2023/10/26/ed77380144/

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