激光焊接機(jī)危害
。，美國(guó)汽車(chē)巨頭通用汽車(chē)宣布將在2035年之前停止銷(xiāo)售汽油動(dòng)力和柴油車(chē)型。德國(guó)奧迪公司計(jì)劃于2033年之前停止這類(lèi)汽車(chē)的生產(chǎn)。多家其他的跨國(guó)汽車(chē)公司也都發(fā)布了類(lèi)似計(jì)劃。忽然之間，汽車(chē)制造商們都加速了他們向電動(dòng)化轉(zhuǎn)型的步伐，向著。
個(gè)人出行方式的電動(dòng)化速度早已超出了人們的想象，即便是電動(dòng)化最熱情的鼓吹者，放在幾年前可能都不敢這么想。在許多國(guó)家，政府管控將推動(dòng)這一變革。不過(guò)據(jù)倫敦彭博新能源財(cái)經(jīng)（BNEF）稱(chēng)，即使沒(méi)有新的政策或規(guī)范，到2035年，全球半數(shù)出售的乘用車(chē)都將是電動(dòng)汽車(chē)。
布魯塞爾的奧迪工廠正在組裝電動(dòng)汽車(chē)的電池|AudiAG
五月，國(guó)際能源機(jī)構(gòu)（IEA）稱(chēng)，這一大規(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”[1]。在未來(lái)幾十年里，幾千萬(wàn)上億裝著大量電池的車(chē)輛將上路（見(jiàn)“走向電動(dòng)化”）。而每一塊電池里都包含著幾十公斤迄今尚未開(kāi)采出來(lái)的材料。
走向電動(dòng)化|參考文獻(xiàn)[2]
面對(duì)著一個(gè)即將到來(lái)的由電動(dòng)汽車(chē)主導(dǎo)的世界，材料學(xué)家們正致力于兩大挑戰(zhàn)。 其一是如何降低在電池材料中使用那些稀少、昂貴、或是開(kāi)采中可能引起環(huán)境和社會(huì)問(wèn)題的金屬。其二是改善電池的回收利用，使得廢舊汽車(chē)電池中有價(jià)值的材料得以有效重復(fù)利用
電池和汽車(chē)制造商們已經(jīng)花費(fèi)了數(shù)十億美元，用來(lái)降低制造和回收利用電動(dòng)汽車(chē)（EV）電池的成本——在一定程度上，是受到政府鼓勵(lì)政策和預(yù)期的未來(lái)規(guī)范所促進(jìn)。國(guó)家研究資助者們也成立了研究中心，致力于更好地生產(chǎn)和回收電池。由于目前為止， 多數(shù)情況下開(kāi)采金屬的成本仍然低于回收金屬
鋰的未來(lái)
研究者們的第一項(xiàng)挑戰(zhàn)便是如何降低EV電池所需要的金屬量。不同的電池型號(hào)和車(chē)型所需要的金屬量有所不同，但是阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的圖片顯示，一輛汽車(chē)的鋰離子電池組（NMC532型）包括了約8千克鋰、35千克鎳、20千克錳和14千克鈷。
分析師們并不認(rèn)為鋰離子電池會(huì)在近期內(nèi)會(huì)消失：其成本的大幅下降，使其極有可能在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)里一直占主流。自從二十世紀(jì)90年代第一次作為小巧便攜，鋰離子電池的價(jià)格已經(jīng)降了30倍，而其性能一直在提升。
BNEF預(yù)計(jì)，到2023年底，鋰離子EV電池組的成本會(huì)降至低于100，大約比現(xiàn)在低20%（見(jiàn)“快速降低電池成本”）。如此一來(lái)，電動(dòng)汽車(chē)——即使現(xiàn)在仍然比傳統(tǒng)汽車(chē)貴——將在二十一世紀(jì)20年代中期達(dá)到平價(jià)。（據(jù)估計(jì)，電動(dòng)汽車(chē)在其使用壽命內(nèi)的花銷(xiāo)已經(jīng)低于汽油汽車(chē)了，這多虧了其較低的運(yùn)行和保養(yǎng)成本。）
快速降低電池成本|M.S.ZieglerJ.E.TrancikEnergyEnviron.Sci.(2021).
鋰離子電池通過(guò)將鋰離子經(jīng)由內(nèi)部從負(fù)極傳輸?shù)秸龢O來(lái)發(fā)電。正負(fù)極之間由電解液隔開(kāi)。正極是影響電池性能的主要限制因素——而且通常包含了最貴的金屬材料。
鋰離子電池的正極通常是一層薄薄的由微尺度晶體構(gòu)成的粘性物，與地殼和地幔中自然形成的礦物結(jié)構(gòu)非常類(lèi)似，比如橄欖石和尖晶石。這些晶體將帶負(fù)電的氧離子和帶正電的鋰離子及其他金屬離子（在大多數(shù)電動(dòng)汽車(chē)中是鎳、錳、鈷的混合物）配對(duì)。在電池充電的過(guò)程中，鋰離子會(huì)從這些氧化物晶體中脫嵌，并轉(zhuǎn)移到石墨負(fù)極，嵌入碳原子層間儲(chǔ)存起來(lái)（詳見(jiàn)“電動(dòng)汽車(chē)之心”）。
電汽車(chē)之心|AdaptedfromG.Harperetal.Nature575,75–86(2019)和G.Offeretal.Nature582,485–487(2020).
鋰本身并不稀缺。BNEF在6月發(fā)布的一份報(bào)告[2]中預(yù)計(jì)，現(xiàn)有金屬的儲(chǔ)量（美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的數(shù)據(jù)為2100萬(wàn)公噸）足夠推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)化轉(zhuǎn)變直至本世紀(jì)中期。儲(chǔ)量本身也不是一個(gè)固定的概念，因?yàn)槠浯砹四骋毁Y源以現(xiàn)在的價(jià)格、并在當(dāng)下的技術(shù)條件和法規(guī)要求上能夠被經(jīng)濟(jì)地開(kāi)采利用的數(shù)量。對(duì)于大多數(shù)材料而言，當(dāng)需求上漲后，其儲(chǔ)量也會(huì)逐漸提高。
隨著汽車(chē)電動(dòng)化，如何擴(kuò)大鋰生產(chǎn)的規(guī)模以滿(mǎn)足其需求成了一大挑戰(zhàn)。Ampofo說(shuō)：“對(duì)鋰的需求在2020到2030年間將增長(zhǎng)7倍?！?/p>
他還說(shuō)，這一增格動(dòng)蕩。期圖景產(chǎn)生很大影響?！爱?dāng)加工處理的能力得到提升，這些短缺自然就會(huì)被解決。”加州電力研究所的儲(chǔ)能專(zhuān)家HareshKamath說(shuō)。
玻利維亞烏尤尼鹽沼的鋰礦|WikimediaCommons,Coordena??o-GeraldeObserva??odaTerra/INPE/CCBY-SA2.0
加速的鋰礦開(kāi)采也帶來(lái)了一些環(huán)境問(wèn)題：現(xiàn)在的鋰提取工藝需要消耗大量的能量（用于將鋰從石頭中提取出來(lái)）和水（用于從鹽水中提?。?。更現(xiàn)代化的技術(shù)可以通過(guò)地?zé)崮艿尿?qū)動(dòng)將鋰從地?zé)崴刑崛〕鰜?lái)，這一方式對(duì)環(huán)境更為友好。盡管會(huì)付出一些環(huán)境上的代價(jià)，但開(kāi)采鋰鹽有助于替代破壞性的化石燃料提取。
研究者們更擔(dān)心的是鈷，這是現(xiàn)在的EV電池中最昂貴的組分。全球三分之二的鈷的供應(yīng)都來(lái)自于剛果民主共和國(guó)。人權(quán)活動(dòng)者們對(duì)那里的狀況非常關(guān)注和擔(dān)憂(yōu)，尤其是雇傭童工和對(duì)工人健康的危害。
和其他重金屬一樣，如果不能妥善處理，鈷的毒性很大。人們也可以利用其他的鈷來(lái)源，比如在海床上發(fā)現(xiàn)的富含金屬的“結(jié)核”，但是這對(duì)其環(huán)境也有一定危害。除此之外，EV電池的另一主要成分，鎳，也有可能面臨短缺[3]。
管理金屬
為了解決這些原料問(wèn)題，許多實(shí)驗(yàn)室都在研發(fā)低鈷或者無(wú)鈷的電極。但是，正極材料的設(shè)計(jì)必須足夠精細(xì)，以保證即使在充電過(guò)程中一半以上的鋰離子都脫嵌后，其晶體結(jié)構(gòu)也不會(huì)被破壞。得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的材料科學(xué)家ArumugamManthiram指出，如果完全放棄鈷成分，電池的能量密度通常都會(huì)下降，因?yàn)殁挼娜笔Ц淖兞苏龢O的晶體結(jié)構(gòu)及其與鋰離子的結(jié)合力。
包括Manthiram在內(nèi)，很多研究者都解決了這一問(wèn)題（至少是在實(shí)驗(yàn)室中）：他們表明。鈷可以從正極中被移去，而電池的性能不會(huì)受到影響[4]?！拔覀兯鶊?bào)道的無(wú)鈷材料具有和鋰鈷氧化物相同的晶體結(jié)構(gòu)，因此能達(dá)到相同的能量密度?！盡anthiram說(shuō)，并表示其性能甚至更好。
為了合成這一材料，Manthiram的團(tuán)隊(duì)精細(xì)調(diào)控了正極的生成方法，加入了少量的其他金屬，物晶體結(jié)構(gòu)。Manthiram表示，這一工藝可以被直接應(yīng)用到現(xiàn)在的工廠中，并且他們成立了一家創(chuàng)業(yè)公司TexPower，預(yù)計(jì)在未來(lái)兩年。世界各地的實(shí)驗(yàn)室也都在研究無(wú)鈷電池：尤其是電動(dòng)汽車(chē)制造的先驅(qū)特斯拉，稱(chēng)計(jì)劃于未來(lái)幾年內(nèi)消除電池中的金屬成分。
韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)的材料科學(xué)家SunYang-Kook也研制出了類(lèi)似性能的無(wú)鈷正極材料。Sun說(shuō)在制作這些新型正極材料的過(guò)程中仍在存在著一些技術(shù)問(wèn)題，因?yàn)檫@一工藝依賴(lài)于精煉富鈷的礦石，需要昂貴的純氧環(huán)境。但是現(xiàn)在許多研究者都認(rèn)為鈷的問(wèn)題已經(jīng)得到解決。Manthiram和Sun“已經(jīng)表明，沒(méi)有鈷也能夠制作出性能非常好的材料”，加拿大達(dá)爾豪斯大學(xué)的化學(xué)家JeffDahn說(shuō)。
鈷礦開(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)|Flickr,Fairphone/BY-NC
鎳盡管沒(méi)有鈷那么貴，卻也不便宜。研究者們也希望將其從電極材料中移除?！拔覀円呀?jīng)解決了鈷稀缺的問(wèn)題，但因?yàn)樯a(chǎn)規(guī)?？焖贁U(kuò)大，很快就會(huì)迎頭碰上鎳的問(wèn)題?！奔又輨趥愃共死麌?guó)家實(shí)驗(yàn)室的材料科學(xué)家GerbrandCeder說(shuō)。然而， ，意味著需要研發(fā)出晶體結(jié)構(gòu)截然不同的正極材料
方法之一是采用一種叫做無(wú)序巖鹽的材料。顧名思義，他們具有和氯化鈉類(lèi)似的立方晶體結(jié)構(gòu)，其中氧離子占據(jù)著氯化鈉晶體中氯離子的位置，而混合的重金屬離子占據(jù)著鈉離子的位置。
在過(guò)去的十年間，Ceder的團(tuán)隊(duì)以及其他課題組都發(fā)現(xiàn)了某些富鋰巖鹽可以實(shí)現(xiàn)鋰離子的嵌入與脫嵌——這是保證能夠完成反復(fù)充放電的重要性質(zhì)[5]。但和傳統(tǒng)的正極材料不同，無(wú)序巖石鹽并不需要鈷或鎳來(lái)保證鋰離子轉(zhuǎn)移過(guò)程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。Ceder說(shuō)，尤為重要的是，這類(lèi)材料可能由錳構(gòu)成，既便宜又充足。
優(yōu)化回收
如果電池中不再含有鈷，研究者們將會(huì)面臨另一個(gè)不想要的后果。鈷金屬是使得電池回收有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的主要因素，因?yàn)槠渌牟牧?，尤其是鋰，在現(xiàn)階段開(kāi)采的成本都遠(yuǎn)低于回收。
通常在一個(gè)回收工廠中，電池首先被粉碎，變成所有材料的粉末狀混合物。然后通過(guò)將其在熔爐中液化（火法冶金）或者用酸溶解（濕法冶金），該混合物被分解成其最基本的組成元
素。最終，金屬以鹽的形式從溶液中沉淀出來(lái)。
德國(guó)Duesenfeld回收工廠中，一臺(tái)機(jī)械粉碎機(jī)將電池模塊磨碎|WolframSchroll/Duesenfeld
現(xiàn)在的研究方向主要集中在通過(guò)改善回收工藝以提高回收鋰在經(jīng)濟(jì)上的吸引力。絕大多數(shù)的鋰離子電池都是在中國(guó)、，因而那些地區(qū)的回收能力也增長(zhǎng)得最快。
比如，據(jù)發(fā)言人稱(chēng)，佛山的廣東邦普——中國(guó)最大的鋰離子電池（CATL）的一個(gè)子公司——每年可以回收12萬(wàn)噸電池。這相當(dāng)于20萬(wàn)輛汽車(chē)所需要的電池量，而這家公司可以回收大部分的鋰、鈷和鎳。倫敦一家咨詢(xún)公司CircularEnergyStorage的總經(jīng)理HansEricMelin說(shuō)，政府政策也大力支持電池回收：中國(guó)已經(jīng)出臺(tái)了經(jīng)濟(jì)和監(jiān)管的獎(jiǎng)勵(lì)措施，以鼓勵(lì)電池公司從回收而非開(kāi)采公司采購(gòu)原料。
歐盟委員會(huì)已經(jīng)提出了嚴(yán)格的電池回收要求，并計(jì)劃于2023年起分階段實(shí)施，盡管他們要發(fā)展自己的回收工廠，前景尚不明朗[6]。美國(guó)喬·拜登政府也有意撥款數(shù)十億美元來(lái)發(fā)展本國(guó)的EV電池制造工業(yè)和回收工藝，但是目前為止除了已有的將電池列為有害廢棄物、必須進(jìn)行安全處理這樣的法規(guī)以外，并沒(méi)有進(jìn)一步的行動(dòng)。
北美的一些創(chuàng)業(yè)公司聲稱(chēng)，他們已經(jīng)能夠回收電池中包括鋰在內(nèi)的絕大多數(shù)金屬，并且回收成本和開(kāi)采成本基本持平。然而分析師們認(rèn)為現(xiàn)階段回收電池的主要經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)仍舊是來(lái)源于鈷。
加拿大金斯頓的Li-Cycle電池回收工廠中的一名工人|LI-CYCLE
相比于濕法和火法冶金這種直接破壞掉材料結(jié)構(gòu)的方法而言， 直接重復(fù)利用正極材料晶體更加能從根本上解決問(wèn)題
該計(jì)劃現(xiàn)在正在研發(fā)可以讓回收站直接提取正極晶體并將其重新出售的技術(shù)。其中一個(gè)關(guān)鍵步驟是切碎電池后，利用加熱、化學(xué)試劑或者其他方法將正極材料從其他組分里分離出來(lái)。“我們之所以對(duì)維持晶體結(jié)構(gòu)如此感興趣，是因?yàn)楹铣蛇@樣的結(jié)構(gòu)需要花費(fèi)大量能源和技術(shù)。這是電池極大一部分的價(jià)值所在?！盇rgonne的物理化學(xué)家、ReCell的首席分析師LindaGaines說(shuō)。
雷諾汽車(chē)公司的一名工人正準(zhǔn)備拆除電池。該公司聲稱(chēng)將回收其電動(dòng)汽車(chē)的所有電池——目前每年只有幾百個(gè)|OlivierGuerrin,PhotothèqueVeolia
另一個(gè)潛在的問(wèn)題是持續(xù)革新的正極材料化學(xué)。到現(xiàn)在這批汽車(chē)的使，也就是10到15年后，汽車(chē)制造商所使用的正極很可能和現(xiàn)在的大不相同。最有效的將材料取出的方式，就是讓制造商們?cè)陔姵氐氖褂脡勖Y(jié)束后各自回收。Gaines也指出電池應(yīng)設(shè)計(jì)為易于分解。
英國(guó)萊斯特大學(xué)的材料科學(xué)家AndrewAbbott則認(rèn)為，若是可以略過(guò)粉碎這一步驟，直接將電池拆解，回收成本將會(huì)更低。他的團(tuán)隊(duì)發(fā)展出了一種技術(shù)，利用超聲將正極材料分離[7]。這一技術(shù)對(duì)平板組裝的電池非常有效，而卷起來(lái)的那種（一般圓柱形電池都是這樣的）稍差些。并且Abbott補(bǔ)充道，這和方法大大降低了回收材料的價(jià)格，使成本遠(yuǎn)低于開(kāi)采。他參加了英國(guó)政府撥款1400萬(wàn)英鎊（1900萬(wàn)美元）、致力于電池可持續(xù)性的研究計(jì)劃，ReLiB。
激光焊接機(jī)上市公司擴(kuò)大規(guī)模
無(wú)論最終哪種回收工藝成為主流，規(guī)模化都會(huì)有幫助。Melin說(shuō)， 盡管媒體報(bào)道總把即將到來(lái)的廢舊電池泛濫描述成迫在眉睫的危機(jī)，分析師們其實(shí)將之視為大好機(jī)遇
分析師認(rèn)為，用來(lái)發(fā)動(dòng)汽油動(dòng)力車(chē)的鉛酸蓄電池的例子，讓人們有理由對(duì)電池回收的未來(lái)保持樂(lè)觀。由于鉛的毒性，鉛酸蓄電池被分類(lèi)為有害廢棄物，必須被安全處理。但是回收這些電池已經(jīng)發(fā)展為一個(gè)有效產(chǎn)業(yè)，盡管鉛很便宜?！俺^(guò)98%的鉛酸蓄電池都被回收再利用，”Kamath說(shuō)?！耙粋€(gè)鉛酸蓄電池的價(jià)值甚至比鋰離子電池還低。但因?yàn)榱看?，回收利用就有價(jià)值?！盡elin說(shuō)。
Kamath還說(shuō)，距離鋰，可能，一部分原因是因?yàn)檫@些電池格外的耐用：現(xiàn)在的汽車(chē)電池可以用20年，Kamath說(shuō)。Melin指出， 在售電動(dòng)汽車(chē)內(nèi)置的電池組壽命會(huì)比汽車(chē)本身還長(zhǎng)
這也就意味著，當(dāng)一輛舊電，里面的電池通常既不用丟棄也不用回收。它們可以直接拿出來(lái)用在一些要求較低的地方，比如固定型儲(chǔ)能系統(tǒng)或給船供電。一個(gè)原本有50，（NissanLeaf）的電池，在使用十年后，最多會(huì)降低20%容量。
IEA的預(yù)測(cè)歷來(lái)以謹(jǐn)慎聞名，五月該機(jī)構(gòu)發(fā)布的報(bào)告中包括了在本世紀(jì)中期實(shí)現(xiàn)全球零排放的路線圖[8]，其中就是以交通工具電動(dòng)化作為基石。人們堅(jiān)信這一目標(biāo)可以實(shí)現(xiàn)，因?yàn)闆Q策者們、研究者們和制造商們都在逐漸達(dá)成共識(shí)，那就是電動(dòng)化汽車(chē)中的挑戰(zhàn)都是可以解決的——并且，如果我們還希望能把氣候變化保持在可控水平，。
不過(guò)有些研究者抱怨，就電池的環(huán)境影響來(lái)說(shuō)，電動(dòng)汽車(chē)似乎被要求達(dá)到一個(gè)不可能的標(biāo)準(zhǔn)?！叭绻麨榱藞?jiān)持找到一個(gè)完美解決方案而放棄還行的方案，這會(huì)是不幸且得不償失的。”Kamath說(shuō)，“當(dāng)然了，這不是說(shuō)我們不需要在廢舊電池處理的問(wèn)題上繼續(xù)積極努力。”
參考文獻(xiàn)
[1]InternationalEnergyAgency.TheRoleofCriticalMineralsinCleanEnergyTransitions(IEA,2021);availableat
[2]BloombergNEF.ElectricVehicleOutlook2021(BNEF,2021);availableat
[3]Baars,J.,Domenech,T.,Bleischwitz,R.,Melin,H.E.Heidrich,O.NatureSustain.4,71–79(2021).
[4]Li,W.,Lee,S.Manthiram,A.Adv.Mater.32,2002718(2020).
[5]Yang,J.H.,Kim,H.Ceder,G.Molecules26,3173(2021).
[6]Melin,H.E.etal.Science373,384–387(2021).
[7]Lei,C.etal.GreenChem.23,4710–4715(2021).
[8]InternationalEnergyAgency.NetZeroby2050:ARoadmapfortheGlobalEnergySector(IEA,2021);availableat
原文以Electriccarsandbatteries:howwilltheworldproduceenough?為標(biāo)題發(fā)表在2021年8月17《自然》的新聞特寫(xiě)版塊上
?nature
doi:10.1038/d41586-021-02222-1
版權(quán)聲明：
本文由施普林格·自然上海辦公室負(fù)責(zé)翻譯。中文內(nèi)容僅供參考，一切內(nèi)容以英文原版為準(zhǔn)。歡迎轉(zhuǎn)發(fā)至朋友圈，如需轉(zhuǎn)載，請(qǐng)郵件China@。未經(jīng)授權(quán)的翻譯是侵權(quán)行為，版權(quán)方將保留追究法律責(zé)任的權(quán)利。
?2021SpringerNatureLimited.AllRightsReserved
