電動汽車的時代已經(jīng)來臨。今年早些時候，美國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。總部位于德國的奧迪計劃到2033年停止生產(chǎn)此類汽車。許多其他汽車跨國公司也發(fā)布了類似的路線圖.突然間，主要汽車制造商對車隊電氣化的拖延變成了急于退出的沖動。

個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也想不到的方式加速。在許多國家，政府的命令將加速變革。但據(jù)倫敦彭博新能源財經(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汽車。

國際能源署(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“電動化”）。每個電池都將包含數(shù)十公斤尚未開采的材料。

預(yù)計世界將由電動汽車主導(dǎo)，材料科學(xué)家正在應(yīng)對兩大挑戰(zhàn)。一是如何減少稀缺、昂貴或有問題的電池中的金屬，因為它們的開采會帶來嚴酷的環(huán)境和社會成本。另一個是提高電池回收率，使廢舊汽車電池中的有價金屬得到有效再利用。“回收將在混合中發(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。

電池制造商和汽車制造商已經(jīng)在降低制造和回收電動汽車(EV)電池的成本上花費了數(shù)十億美元——部分原因是政府的激勵措施和即將出臺的法規(guī)的預(yù)期。國家研究資助者還成立了中心來研究制造和回收電池的更好方法。因為在大多數(shù)情況下，開采金屬比回收它們更便宜，一個關(guān)鍵目標(biāo)是開發(fā)工藝以足夠便宜的方式回收有價值的金屬，以與新開采的金屬競爭。“最大的話題是金錢，”伊利諾伊州萊蒙特阿貢國家實驗室的化學(xué)工程師杰弗里斯潘伯格說，他負責(zé)管理一項美國聯(lián)邦政府資助的鋰離子電池回收計劃，稱為ReCell。

鋰未來

研究人員面臨的第一個挑戰(zhàn)是減少電動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而異，但單個汽車鋰離子電池組（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)阿貢國家實驗室的數(shù)據(jù)，鈷。

分析師預(yù)計不會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，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入市場時便宜30倍，即使它們的性能有所提高。BNEF預(yù)計，到2023年，鋰離子EV電池組的成本將降至每千瓦時100美元以下，或比現(xiàn)在低約20%（參見“電池成本暴跌”）。因此，電動汽車——仍然比傳統(tǒng)汽車貴——應(yīng)該會在2020年代中期達到平價。（據(jù)估計，電動汽車在其生命周期內(nèi)已經(jīng)比汽油車便宜，這要歸功于動力和維護成本更低。）

為了發(fā)電，鋰離子電池將鋰離子從一層（稱為陽極）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。晶體將帶負電的氧與帶正電的鋰和各種其他金屬配對——在大多數(shù)電動汽車中，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，并將離子拉到石墨基陽極上，它們被夾在碳原子層之間存儲（參見“電心”）。

鋰本身并不稀缺。BNEF26月的一份報告估計，根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局的數(shù)據(jù)，目前這種金屬的儲量為2100萬噸，足以將電動汽車的轉(zhuǎn)換持續(xù)到本世紀(jì)中葉。儲量是一個可延展的概念，因為它們代表了在當(dāng)前價格和當(dāng)前技術(shù)和監(jiān)管要求下可以經(jīng)濟地開采的資源量。對于大多數(shù)材料，如果需求增加，儲備最終也會增加。

Ampofo表示，隨著汽車電氣化，挑戰(zhàn)在于擴大鋰產(chǎn)量以滿足需求。“從2020年到2030年，它將增長約7倍。”

他說，這可能會導(dǎo)致暫時的短缺和價格的劇烈波動。但從長遠來看，市場打嗝不會改變局面。“隨著更多處理能力的建設(shè)，這些短缺可能會自行解決，”加利福尼亞州帕洛阿爾托電力研究所的儲能專家HareshKamath說。

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了其自身的環(huán)境問題：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)崮軄硗苿舆@一過程，被認為更加溫和。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)前電動汽車電池中最有價值的成分。全球三分之二的供應(yīng)在剛果民主共和國開采。人權(quán)活動家對那里的條件表示擔(dān)憂，特別是對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(dāng)，鈷是有毒的。可以利用其他來源，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。電動汽車電池的另一個主要成分鎳也可能面臨短缺3。

管理金屬

為了解決原材料問題，許多實驗室一直在試驗低鈷或無鈷陰極。但正極材料必須精心設(shè)計，使其晶體結(jié)構(gòu)不會破裂，即使在充電過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，完全放棄鈷通常會降低電池的能量密度，因為它會改變陰極的晶體結(jié)構(gòu)以及它與鋰結(jié)合的緊密程度。

Manthiram是解決該問題的研究人員之一——至少在實驗室中——通過證明可以從陰極中去除鈷而不影響性能4.“我們報道的無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。他的團隊通過微調(diào)陰極的生產(chǎn)方式并添加少量其他金屬來做到這一點，同時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)該很簡單，并成立了一家名為TexPower的初創(chuàng)公司，試圖在未來兩年內(nèi)將其推向市場。世界各地的其他實驗室正在研究無鈷電池：特別是位于加利福尼亞州帕洛阿爾托的先鋒電動汽車制造商特斯拉表示，它計劃在未來幾年內(nèi)從電池中消除這種金屬。

韓國首爾漢陽大學(xué)的SunYang-Kook是另一位在無鈷陰極方面取得類似性能的材料科學(xué)家。Sun表示，在制造新陰極時可能仍存在一些技術(shù)問題，因為該過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)在許多研究人員認為鈷問題已基本解決。加拿大哈利法克斯達爾豪斯大學(xué)的化學(xué)家杰夫·達恩(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)解決了鈷稀缺的問題，但由于我們的規(guī)模增長如此之快，我們正直奔鎳問題，”加利福尼亞州伯克利勞倫斯伯克利國家實驗室的材料科學(xué)家GerbrandCeder說。但同時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序巖鹽的材料。它們得名是因為它們的立方晶體結(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。在過去十年中，Ceder的團隊和其他團隊已經(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，無序巖鹽在該過程中不需要鈷或鎳來保持穩(wěn)定。Ceder說，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)濟的主要因素，因為其他材料，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，這會將電池變成所有使用材料的粉末混合物。然后，通過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爻煞帧Ｗ詈螅饘僖喳}的形式從溶液中沉淀出來。

一臺機械粉碎機正在粉碎電池模塊，如圖所示在德國Duesenfeld回收廠

研究工作的重點是改進工藝，使回收的鋰具有經(jīng)濟吸引力。絕大多數(shù)鋰離子電池產(chǎn)自中國、日本和韓國；因此，回收能力在那里增長最快。例如，據(jù)一位發(fā)言人稱，中國最大的鋰離子電池制造商寧德時代旗下的子公司廣東邦普每年可以回收12萬噸電池。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這一點：漢斯·埃里克·梅林(HansEricMelin)表示，中國已經(jīng)為從回收公司采購材料而不是進口新開采的材料的電池公司提供了財政和監(jiān)管激勵措施，

歐盟委員會提出了嚴格的電池回收要求，該要求可能會從2023年開始逐步實施——盡管該集團發(fā)展國內(nèi)回收行業(yè)的前景尚不確定6。與此同時，美國總統(tǒng)喬·拜登(JoeBiden)的政府希望花費數(shù)十億美元來培育國內(nèi)電動汽車電池制造行業(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爭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)濟優(yōu)勢只是因為鈷。

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1500萬美元的合作項目，包括三個國家實驗室、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。“我們?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。這就是很多價值所在，”阿貢物理化學(xué)家、ReCell首席分析師LindaGaines說。

蓋恩斯說，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進入回收大鍋。這可能會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含有鈷和鎳的電池，但在不同的比例。Spangenberger說，出于這個原因和其他原因，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——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)束時收集自己的電池。蓋恩斯補充說，電池應(yīng)該從頭開始設(shè)計，使它們更容易拆卸。

英國萊斯特大學(xué)的材料科學(xué)家AndrewAbbott認為，如果它跳過粉碎階段并直接將細胞分開，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，雅培補充說，可以使回收材料比原始開采的金屬便宜得多。他參與了一項耗資1400萬英鎊（1900萬美元）的英國政府電池可持續(xù)性研究計劃，稱為ReLiB。

調(diào)高音量

無論哪種回收過程成為標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)模都會有所幫助。梅林說，盡管媒體報道傾向于將即將到來的廢電池泛濫描述為迫在眉睫的危機，但分析師認為這是一個巨大的機會。一旦數(shù)以百萬計的大型電池開始報廢，規(guī)模經(jīng)濟就會發(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，鉛酸電池的例子——啟動汽油動力汽車的電池——讓人有理由感到樂觀。由于鉛有毒，這些電池被歸類為危險廢物，必須安全處置。但是，盡管鉛很便宜，但已經(jīng)發(fā)展了一個高效的行業(yè)來回收它們。“超過98%的鉛酸電池被回收和再循環(huán)，”Kamath說。“鉛酸電池的價值甚至低于鋰離子電池。但由于數(shù)量龐大，無論如何回收都是有意義的，”梅林說。

Kamath說，鋰離子電池市場可能需要一段時間才能達到最大規(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使用20年。梅林說，在今天銷售的典型電動汽車中，電池組的使用壽命將比其內(nèi)置的車輛壽命更長。

這意味著當(dāng)舊電動汽車報廢時，電池通常既不會被扔掉，也不會被回收利用。取而代之的是，它們被取出并重新用于要求不高的應(yīng)用，例如固定式儲能或為船只提供動力。使用十年后，像日產(chǎn)聆風(fēng)這樣原本容量為50千瓦時的汽車電池，最多會損失20%的容量。

國際能源署(IEA)的另一份5月報告包括一份路線圖8，以在本世紀(jì)中葉之前實現(xiàn)全球凈零排放，其中包括將轉(zhuǎn)換為電動交通作為基石。相信這是可以實現(xiàn)的，這反映了政策制定者、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(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，就沒有時間可以浪費了.

但一些研究人員抱怨說，電動汽車在電池對環(huán)境的影響方面似乎達到了一個不可能的標(biāo)準(zhǔn)。“通過堅持完美的解決方案而放棄一個好的解決方案將是不幸的和適得其反的，”卡馬斯說。“當(dāng)然，這并不意味著我們不應(yīng)該積極處理電池處理問題。”