電動(dòng)汽車的時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨。今年早些時(shí)候，美國(guó)汽車巨頭通用汽車宣布其目標(biāo)是到2035年停止銷售汽油和柴油車型?？偛课挥诘聡?guó)的奧迪計(jì)劃到2033年停止生產(chǎn)此類汽車。許多其他汽車跨國(guó)公司也發(fā)布了類似的路線圖.突然間，主要汽車制造商對(duì)車隊(duì)電氣化的拖延變成了急于退出的沖動(dòng)。

個(gè)人出行的電氣化正在以一種即使是最熱心的支持者在幾年前也做夢(mèng)也想不到的方式加速。在許多國(guó)家，政府的命令將加速變革。但據(jù)倫敦彭博新能源財(cái)經(jīng)(BNEF)咨詢公司稱，即使沒有新的政策或法規(guī)，2035年全球乘用車銷量的一半仍將是電動(dòng)汽車。

國(guó)際能源署(IEA)于5月1日宣布，這種大規(guī)模的工業(yè)轉(zhuǎn)型標(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”。未來(lái)幾十年，將有數(shù)億輛汽車上路，車內(nèi)裝有大量電池（參見“電動(dòng)化”）。每個(gè)電池都將包含數(shù)十公斤尚未開采的材料。

預(yù)計(jì)世界將由電動(dòng)汽車主導(dǎo)，材料科學(xué)家正在應(yīng)對(duì)兩大挑戰(zhàn)。一是如何減少稀缺、昂貴或有問(wèn)題的電池中的金屬，因?yàn)樗鼈兊拈_采會(huì)帶來(lái)嚴(yán)酷的環(huán)境和社會(huì)成本。另一個(gè)是提高電池回收率，使廢舊汽車電池中的有價(jià)金屬得到有效再利用?！盎厥諏⒃诨旌现邪l(fā)揮關(guān)鍵作用，”BNEF金屬和采礦首席分析師、采礦工程師KwasiAmpofo說(shuō)。

電池制造商和汽車制造商已經(jīng)在降低制造和回收電動(dòng)汽車(EV)電池的成本上花費(fèi)了數(shù)十億美元——部分原因是政府的激勵(lì)措施和即將出臺(tái)的法規(guī)的預(yù)期。國(guó)家研究資助者還成立了中心來(lái)研究制造和回收電池的更好方法。因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下，開采金屬比回收它們更便宜，一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)是開發(fā)工藝以足夠便宜的方式回收有價(jià)值的金屬，以與新開采的金屬競(jìng)爭(zhēng)?！白畲蟮脑掝}是金錢，”伊利諾伊州萊蒙特阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的化學(xué)工程師杰弗里斯潘伯格說(shuō)，他負(fù)責(zé)管理一項(xiàng)美國(guó)聯(lián)邦政府資助的鋰離子電池回收計(jì)劃，稱為ReCell。

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-40℃最大放電倍率：1C
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鋰未來(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)量因電池類型和車輛型號(hào)而異，但單個(gè)汽車鋰離子電池組（稱為NMC532類型）可能包含約8公斤鋰、35公斤鎳、20公斤錳和14公斤根據(jù)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)，鈷。

分析師預(yù)計(jì)不會(huì)很快放棄鋰離子電池：它們的成本急劇下降，以至于在可預(yù)見的未來(lái)，它們很可能成為主導(dǎo)技術(shù)。它們現(xiàn)在比1990年代初作為小型便攜式電池首次進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)便宜30倍，即使它們的性能有所提高。BNEF預(yù)計(jì)，到2023年，鋰離子EV電池組的成本將降至每千瓦時(shí)100美元以下，或比現(xiàn)在低約20%（參見“電池成本暴跌”）。因此，電動(dòng)汽車——仍然比傳統(tǒng)汽車貴——應(yīng)該會(huì)在2020年代中期達(dá)到平價(jià)。（據(jù)估計(jì)，電動(dòng)汽車在其生命周期內(nèi)已經(jīng)比汽油車便宜，這要?dú)w功于動(dòng)力和維護(hù)成本更低。）

為了發(fā)電，鋰離子電池將鋰離子從一層（稱為陽(yáng)極）內(nèi)部穿梭到另一層（陰極）。兩者被另一層電解質(zhì)隔開。陰極是電池性能的主要限制因素——它們是最有價(jià)值的金屬所在。

典型的鋰離子電池的陰極是一層薄薄的粘稠物，其中含有微尺度晶體，其結(jié)構(gòu)通常與地殼或地幔中天然存在的礦物（如橄欖石或尖晶石）相似。晶體將帶負(fù)電的氧與帶正電的鋰和各種其他金屬配對(duì)——在大多數(shù)電動(dòng)汽車中，鎳、錳和鈷的混合物。給電池充電可將鋰離子從這些氧化物晶體中剝離出來(lái)，并將離子拉到石墨基陽(yáng)極上，它們被夾在碳原子層之間存儲(chǔ)（參見“電心”）。

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鋰本身并不稀缺。BNEF26月的一份報(bào)告估計(jì)，根據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的數(shù)據(jù)，目前這種金屬的儲(chǔ)量為2100萬(wàn)噸，足以將電動(dòng)汽車的轉(zhuǎn)換持續(xù)到本世紀(jì)中葉。儲(chǔ)量是一個(gè)可延展的概念，因?yàn)樗鼈兇砹嗽诋?dāng)前價(jià)格和當(dāng)前技術(shù)和監(jiān)管要求下可以經(jīng)濟(jì)地開采的資源量。對(duì)于大多數(shù)材料，如果需求增加，儲(chǔ)備最終也會(huì)增加。

Ampofo表示，隨著汽車電氣化，挑戰(zhàn)在于擴(kuò)大鋰產(chǎn)量以滿足需求?！皬?020年到2030年，它將增長(zhǎng)約7倍。”

他說(shuō)，這可能會(huì)導(dǎo)致暫時(shí)的短缺和價(jià)格的劇烈波動(dòng)。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，市場(chǎng)打嗝不會(huì)改變局面?！半S著更多處理能力的建設(shè)，這些短缺可能會(huì)自行解決，”加利福尼亞州帕洛阿爾托電力研究所的儲(chǔ)能專家HareshKamath說(shuō)。

玻利維亞波托西烏尤尼鹽沼鋰生產(chǎn)設(shè)施中的鹽礦

鋰礦開采的增加帶來(lái)了其自身的環(huán)境問(wèn)題：當(dāng)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）。但從地?zé)崴刑崛′嚨母F(xiàn)代的技術(shù)，使用地?zé)崮軄?lái)推動(dòng)這一過(guò)程，被認(rèn)為更加溫和。盡管造成了這種環(huán)境損失，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)心鈷，它是當(dāng)前電動(dòng)汽車電池中最有價(jià)值的成分。全球三分之二的供應(yīng)在剛果民主共和國(guó)開采。人權(quán)活動(dòng)家對(duì)那里的條件表示擔(dān)憂，特別是對(duì)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)，鈷是有毒的?？梢岳闷渌麃?lái)源，例如在海底發(fā)現(xiàn)的富含金屬的“結(jié)核”，但它們本身就存在環(huán)境危害。電動(dòng)汽車電池的另一個(gè)主要成分鎳也可能面臨短缺3。

管理金屬

為了解決原材料問(wèn)題，許多實(shí)驗(yàn)室一直在試驗(yàn)低鈷或無(wú)鈷陰極。但正極材料必須精心設(shè)計(jì)，使其晶體結(jié)構(gòu)不會(huì)破裂，即使在充電過(guò)程中去除了一半以上的鋰離子。德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的材料科學(xué)家ArumugamManthiram說(shuō)，完全放棄鈷通常會(huì)降低電池的能量密度，因?yàn)樗鼤?huì)改變陰極的晶體結(jié)構(gòu)以及它與鋰結(jié)合的緊密程度。

Manthiram是解決該問(wèn)題的研究人員之一——至少在實(shí)驗(yàn)室中——通過(guò)證明可以從陰極中去除鈷而不影響性能4.“我們報(bào)道的無(wú)鈷材料與鋰鈷氧化物具有相同的晶體結(jié)構(gòu)，因此具有相同的能量密度，”甚至更好，Manthiram說(shuō)。他的團(tuán)隊(duì)通過(guò)微調(diào)陰極的生產(chǎn)方式并添加少量其他金屬來(lái)做到這一點(diǎn)，同時(shí)保留陰極的氧化鈷晶體結(jié)構(gòu)。

Manthiram表示，在現(xiàn)有工廠中采用這種工藝應(yīng)該很簡(jiǎn)單，并成立了一家名為TexPower的初創(chuàng)公司，試圖在未來(lái)兩年內(nèi)將其推向市場(chǎng)。世界各地的其他實(shí)驗(yàn)室正在研究無(wú)鈷電池：特別是位于加利福尼亞州帕洛阿爾托的先鋒電動(dòng)汽車制造商特斯拉表示，它計(jì)劃在未來(lái)幾年內(nèi)從電池中消除這種金屬。

韓國(guó)首爾漢陽(yáng)大學(xué)的SunYang-Kook是另一位在無(wú)鈷陰極方面取得類似性能的材料科學(xué)家。Sun表示，在制造新陰極時(shí)可能仍存在一些技術(shù)問(wèn)題，因?yàn)樵撨^(guò)程依賴于精煉富鎳礦石，而這可能需要昂貴的純氧氣氛。但現(xiàn)在許多研究人員認(rèn)為鈷問(wèn)題已基本解決。加拿大哈利法克斯達(dá)爾豪斯大學(xué)的化學(xué)家杰夫·達(dá)恩(JeffDahn)表示，Manthiram和Sun“已經(jīng)表明，你可以在沒有鈷的情況下制造出非常好的材料，而且性能非常好”。

鎳雖然不如鈷貴，但也不便宜。研究人員也想刪除它。“我們已經(jīng)解決了鈷稀缺的問(wèn)題，但由于我們的規(guī)模增長(zhǎng)如此之快，我們正直奔鎳問(wèn)題，”加利福尼亞州伯克利勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的材料科學(xué)家GerbrandCeder說(shuō)。但同時(shí)去除鈷和鎳將需要轉(zhuǎn)換為陰極材料完全不同的晶體結(jié)構(gòu)。

一種方法是采用稱為無(wú)序巖鹽的材料。它們得名是因?yàn)樗鼈兊牧⒎骄w結(jié)構(gòu)類似于氯化鈉，其中氧氣扮演氯的角色，而重金屬的混合物代替鈉。在過(guò)去十年中，Ceder的團(tuán)隊(duì)和其他團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明，某些富含鋰的巖鹽可以讓鋰輕松地滑入和滑出——這是實(shí)現(xiàn)重復(fù)充電的關(guān)鍵特性5。但是，與傳統(tǒng)的陰極材料不同，無(wú)序巖鹽在該過(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制造，錳既便宜又豐富。

更好地回收利用

如果電池不含鈷，研究人員將面臨意想不到的后果。金屬是使回收電池經(jīng)濟(jì)的主要因素，因?yàn)槠渌牧?，尤其是鋰，目前開采成本低于回收成本。

在典型的回收工廠中，電池首先被切碎，這會(huì)將電池變成所有使用材料的粉末混合物。然后，通過(guò)在冶煉廠中將其液化（火法冶金）或?qū)⑵淙芙庠谒嶂校穹ㄒ苯穑摶旌衔锉环纸鉃槠湓爻煞?。最后，金屬以鹽的形式從溶液中沉淀出來(lái)。

一臺(tái)機(jī)械粉碎機(jī)正在粉碎電池模塊，如圖所示在德國(guó)Duesenfeld回收廠

研究工作的重點(diǎn)是改進(jìn)工藝，使回收的鋰具有經(jīng)濟(jì)吸引力。絕大多數(shù)鋰離子電池產(chǎn)自中國(guó)、日本和韓國(guó)；因此，回收能力在那里增長(zhǎng)最快。例如，據(jù)一位發(fā)言人稱，中國(guó)最大的鋰離子電池制造商寧德時(shí)代旗下的子公司廣東邦普每年可以回收12萬(wàn)噸電池。這相當(dāng)于200,000多輛汽車的用量，該公司能夠回收大部分鋰、鈷和鎳。政府政策正在幫助鼓勵(lì)這一點(diǎn)：漢斯·埃里克·梅林(HansEricMelin)表示，中國(guó)已經(jīng)為從回收公司采購(gòu)材料而不是進(jìn)口新開采的材料的電池公司提供了財(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，該要求可能會(huì)從2023年開始逐步實(shí)施——盡管該集團(tuán)發(fā)展國(guó)內(nèi)回收行業(yè)的前景尚不確定6。與此同時(shí)，美國(guó)總統(tǒng)喬·拜登(JoeBiden)的政府希望花費(fèi)數(shù)十億美元來(lái)培育國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車電池制造行業(yè)并支持回收利用，但尚未提出超出現(xiàn)有立法的法規(guī)，將電池歸類為必須安全處置的危險(xiǎn)廢物.一些北美初創(chuàng)公司表示，他們已經(jīng)可以以與開采這些金屬的成本具有競(jìng)爭(zhēng)力的成本回收大部分電池金屬，包括鋰，盡管分析人士表示，在現(xiàn)階段，整體經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)只是因?yàn)殁挕?/p>

在加拿大安大略省金斯敦的Li-Cycle電池回收設(shè)施中，從極板上清除磨碎的電池粉末或“黑色物質(zhì)”

更激進(jìn)的方法是重新使用陰極晶體，而不是像水法和火法冶金那樣分解它們的結(jié)構(gòu)。ReCell是由Spangenberger管理的1500萬(wàn)美元的合作項(xiàng)目，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。它正在開發(fā)技術(shù)，使回收商能夠提取陰極晶體并將其轉(zhuǎn)售。

電池粉碎后的一個(gè)關(guān)鍵步驟是使用熱量、化學(xué)物質(zhì)或其他方法將陰極材料與其他材料分離?！拔覀?nèi)绱藷嶂杂诒Ａ艟w結(jié)構(gòu)的原因是將它們組合在一起需要大量的精力和專業(yè)知識(shí)。這就是很多價(jià)值所在，”阿貢物理化學(xué)家、ReCell首席分析師LindaGaines說(shuō)。

蓋恩斯說(shuō)，這些再處理技術(shù)適用于一系列晶體結(jié)構(gòu)和成分。但是，如果回收中心收到包含多種類型電池的廢物流，則各種類型的陰極材料最終都會(huì)進(jìn)入回收大鍋。這可能會(huì)使分離不同陰極晶體類型的工作復(fù)雜化。盡管ReCell開發(fā)的工藝可以輕松地將鎳、錳和鈷與其他類型的電池（例如使用磷酸鐵鋰的電池）分離，但他們將很難分離兩種同時(shí)含有鈷和鎳的電池，但在不同的比例。Spangenberger說(shuō)，出于這個(gè)原因和其他原因，電池必須帶有某種標(biāo)準(zhǔn)化的條形碼，告訴回收商里面有什么。

另一個(gè)潛在的障礙是陰極的化學(xué)性質(zhì)在不斷發(fā)展。制造商將在10到15年后使用的陰極——在當(dāng)今汽車的生命周期結(jié)束時(shí)——很可能與今天的不同。取出材料的最有效方法可能是制造商在生命周期結(jié)束時(shí)收集自己的電池。蓋恩斯補(bǔ)充說(shuō)，電池應(yīng)該從頭開始設(shè)計(jì)，使它們更容易拆卸。

英國(guó)萊斯特大學(xué)的材料科學(xué)家AndrewAbbott認(rèn)為，如果它跳過(guò)粉碎階段并直接將細(xì)胞分開，回收將更有利可圖。他和他的合作者開發(fā)了一種使用超聲波7分離陰極材料的技術(shù)。這在扁平包裝而不是卷起的電池中效果最好（就像常見的“圓柱形”電池一樣），而且，雅培補(bǔ)充說(shuō)，可以使回收材料比原始開采的金屬便宜得多。他參與了一項(xiàng)耗資1400萬(wàn)英鎊（1900萬(wàn)美元）的英國(guó)政府電池可持續(xù)性研究計(jì)劃，稱為ReLiB。

調(diào)高音量

無(wú)論哪種回收過(guò)程成為標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)模都會(huì)有所幫助。梅林說(shuō)，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迫在眉睫的危機(jī)，但分析師認(rèn)為這是一個(gè)巨大的機(jī)會(huì)。一旦數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的大型電池開始報(bào)廢，規(guī)模經(jīng)濟(jì)就會(huì)發(fā)揮作用，并使回收效率更高——而且其商業(yè)案例也更具吸引力。

分析人士說(shuō)，鉛酸電池的例子——啟動(dòng)汽油動(dòng)力汽車的電池——讓人有理由感到樂(lè)觀。由于鉛有毒，這些電池被歸類為危險(xiǎn)廢物，必須安全處置。但是，盡管鉛很便宜，但已經(jīng)發(fā)展了一個(gè)高效的行業(yè)來(lái)回收它們。“超過(guò)98%的鉛酸電池被回收和再循環(huán)，”Kamath說(shuō)?！般U酸電池的價(jià)值甚至低于鋰離子電池。但由于數(shù)量龐大，無(wú)論如何回收都是有意義的，”梅林說(shuō)。

Kamath說(shuō)，鋰離子電池市場(chǎng)可能需要一段時(shí)間才能達(dá)到最大規(guī)模，部分原因是這些電池變得非常耐用：目前的汽車電池可能會(huì)使用20年。梅林說(shuō)，在今天銷售的典型電動(dòng)汽車中，電池組的使用壽命將比其內(nèi)置的車輛壽命更長(zhǎng)。

這意味著當(dāng)舊電動(dòng)汽車報(bào)廢時(shí)，電池通常既不會(huì)被扔掉，也不會(huì)被回收利用。取而代之的是，它們被取出并重新用于要求不高的應(yīng)用，例如固定式儲(chǔ)能或?yàn)榇惶峁﹦?dòng)力。使用十年后，像日產(chǎn)聆風(fēng)這樣原本容量為50千瓦時(shí)的汽車電池，最多會(huì)損失20%的容量。

國(guó)際能源署(IEA)的另一份5月報(bào)告包括一份路線圖8，以在本世紀(jì)中葉之前實(shí)現(xiàn)全球凈零排放，其中包括將轉(zhuǎn)換為電動(dòng)交通作為基石。相信這是可以實(shí)現(xiàn)的，這反映了政策制定者、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)在完全可以解決——如果我們希望將氣候變化控制在可控水平，就沒有時(shí)間可以浪費(fèi)了.

但一些研究人員抱怨說(shuō)，電動(dòng)汽車在電池對(duì)環(huán)境的影響方面似乎達(dá)到了一個(gè)不可能的標(biāo)準(zhǔn)?！巴ㄟ^(guò)堅(jiān)持完美的解決方案而放棄一個(gè)好的解決方案將是不幸的和適得其反的，”卡馬斯說(shuō)?！爱?dāng)然，這并不意味著我們不應(yīng)該積極處理電池處理問(wèn)題?！?/p>