回收電池和減少稀有金屬的使用，這兩個問題將是世界向電動汽車過渡的關鍵！
電動車的時代即將來臨。今年早些時候，美國汽車巨頭通用汽車宣布，其目標是到2035年停止銷售汽油動力和柴油車型。總部位于德國的奧迪計劃到2033年停止生產這類汽車。許多其他汽車跨國公司也發布了類似的路線圖。
圖1 一輛電動汽車的電池在布魯塞爾的奧迪生產工廠組裝。
交通工具的電氣化正在加速發展，這是在幾年前也無法想象的。在許多國家，政府的政策扶持將加速變革。但根據倫敦的BloombergNEF (BNEF)咨詢公司的數據，即使沒有新的政策或法規，2035年全球乘用車銷量的一半將是電動汽車。
國際能源署(IEA)5月1日宣布，這一大規模的工業轉型標志著“從燃料密集型能源系統向材料密集型能源系統的轉變”。未來幾十年，數億車輛將上路，車內裝有大量電池。這些電池中的每一個都含有數十公斤電池原材料。
圖2 預測表明，到2035年，全球銷售的新乘用車將有一半以上是電動的。
在可預見的電動汽車主導的世界，材料科學家正致力于兩大挑戰：一個是如何減少電池中稀有、昂貴或有污染的金屬，因為它們的開采會帶來嚴重的環境和社會成本；另一個是加強電池回收，這樣廢舊汽車電池中有價值的金屬可以被有效地再利用。
電池和汽車制造商已經花費數十億美元，來降低制造和回收電動汽車電池的成本。國家層面還資助相關研究中心，研究制造和回收電池的更好方法。因為在大多數情況下，開采金屬的成本仍然低于回收金屬的成本，所以一個關鍵目標是開發回收有價值金屬的工藝，其成本足以與新開采的金屬競爭。“最大的問題和挑戰是錢。”美國阿貢國家實驗室的化學工程師Jeffrey Spangenberger說，他管理著一項由美國聯邦政府資助的鋰離子電池回收計劃，名為ReCell。
圖3 電動汽車中的電池組由數千個電池組成，并配有電子設備來管理充電和放電。
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。數量因電池類型和車輛型號而異，根據阿爾貢國家實驗室的數據，一個汽車鋰離子電池組(NMC532)含有約8 kg鋰、35 kg鎳、20 kg錳和14 kg鈷。
分析人員預計產業界不會放棄鋰離子電池：它們的成本已經大幅下降，在可預見的未來，它們仍然是主導技術。鋰離子電池現在比20世紀90年代初作為小型便攜式電池首次進入市場時便宜30倍，而且它們的性能有所提高。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，或比現在低約20%。因此，電動汽車——仍然比傳統汽車貴——應該在2020年代中期達到價格平價。
圖4 自1991年以來，鋰離子電池的價格已經下跌了97%以上。
為了產生電能，鋰離子電池將鋰離子從負極傳輸到正極，兩者被隔膜隔開。正極是電池性能的主要限制因素，也是稀有昂貴金屬所在的部件。
典型鋰離子電池正極是一層薄薄物質，其中含有微米級晶體，這些晶體的結構通常與地殼或地幔中自然存在的礦物相似，如橄欖石或尖晶石。這些晶體將帶負電荷的氧與帶正電荷的鋰和各種其他金屬配對——在大多數電動汽車中，是鎳、錳和鈷的混合物。給電池充電會將鋰離子從這些氧化物晶體中脫嵌出來，這些離子遷移石墨負極，儲存在碳原子層之間。
鋰本身并不稀缺。英國國家能源基金會6月份的一份報告估計，目前的金屬儲量為2100萬噸。儲量是一個動態的概念，因為它們代表了在當前價格和當前技術，及監管要求下可以經濟開采的資源量。對于大多數材料來說，如果需求上升，儲量也會上升。
Ampofo表示，隨著汽車電氣化，挑戰在于擴大鋰產量以滿足需求。“從2020年到2030年，它將增長大約7倍。”
加州帕洛阿爾托電力研究所的儲能專家Haresh Kamath說，這可能會導致暫時的短缺和劇烈的價格波動。但長期而言，市場波動不會改變局面。“隨著生產能力的擴大，這些短缺可能會自行解決”。
鋰礦開采的增加有其自身的環境問題：目前的開采方式需要大量的能量(用于從巖石中提取鋰)或水(用于從鹵水中提取鋰)。但是更現代的從地熱水中提取鋰的技術，使用地熱能來驅動這一過程，被認為是更良性的。盡管對環境造成了一定損害，但是開采鋰將有助于取代化石燃料開采。
研究人員更擔心鈷，這是目前電動汽車電池中最有價值的成分。全球供應量的三分之二來自剛果民主共和國。人權活動人士對那里的條件表示關切，特別是童工和對工人健康的傷害。像其他重金屬一樣，如果處理不當，鈷是有毒的。可以開發替代資源，例如在海底發現的富含金屬的“結核”，但它們本身也有環境危害。電動汽車電池的另一個主要成分鎳也可能面臨短缺。
金屬調控
為了解決原材料問題，許多實驗室一直在研究低鈷或無鈷正極。但是正極材料必須經過精心設計，即使充電過程中有一半以上的鋰離子被去除，它們的晶體結構也不會破裂。奧斯汀得克薩斯大學的材料科學家Arumugam Manthiram說，完全放棄鈷通常會降低電池的能量密度，因為它會改變正極的晶體結構，以及與鋰結合的緊密程度。
Manthiram是解決這個問題的研究人員之一——至少在實驗室里是這樣——他證明了鈷可以從正極中去除而不影響性能。“我們報道的無鈷材料具有與鋰鈷氧化物相同的晶體結構，因此具有相同的能量密度，或者更好”Manthiram說。他的團隊通過微調正極的生產方式和添加少量其他金屬來做到這一點，同時保留正極的氧化鈷晶體結構。Manthiram表示，在現有工廠中采用這種工藝應該很簡單，并成立了一家名為TexPower的初創公司，試圖在未來兩年內將其推向市場。世界各地的其他實驗室也在研究無鈷電池，尤其是總部位于加州帕洛阿爾托的電動汽車制造商特斯拉，表示計劃在未來幾年內從電池中去除這種金屬。
韓國首爾漢陽大學的Sun Yang-Kook是另一位在無鈷正極方面取得進展的材料科學家。Sun說，在制造新正極的過程中，一些技術問題可能仍然存在，因為這一過程依賴于提煉富鎳礦石，這可能需要昂貴的純氧氣氛，但是許多研究人員現在認為鈷的問題已經基本解決了。加拿大哈利法克斯達爾豪西大學的化學家Jeff Dahn說，Manthiram和Sun“已經表明，沒有鈷，你可以制造出非常好的正極材料，而且性能非常好”。
鎳雖然沒有鈷貴，但也不便宜。研究人員也想去除它。加州伯克利勞倫斯伯克利國家實驗室的材料科學家Gerbrand Ceder說:“我們已經解決了鈷短缺的問題，但由于鋰電產業擴張速度如此之快，我們正直接面臨鎳的問題。但是去除鈷和鎳都需要改變到完全不同的正極材料晶體結構。
一種方法是采用被稱為無序巖鹽的材料。它們之所以得名，是因為它們的立方晶體結構，類似于氯化鈉的結構，氧氣扮演氯的角色，重金屬的混合物取代鈉。在過去的十年里，Ceder的團隊和其他研究小組已經表明，某些富含鋰的巖鹽可以讓鋰很容易的進出——這是重復充電的一個關鍵特性。但是，與傳統的正極材料不同，無序的巖鹽不需要鈷或鎳在此過程中保持穩定。Ceder說，特別是，它們可以用廉價而豐富的錳來制造。
回收策略
如果電池不含鈷，研究人員將面臨意想不到的后果。金屬是促使回收電池的主要因素，因為其他材料，尤其是鋰，目前開采比回收更便宜。
在一個回收工廠，電池首先被切碎，這將電池變成所有使用材料的粉末混合物。然后，通過在熔爐中液化(火法冶金)或在酸中溶解(濕法冶金)，混合物被分解成元素成分。最后，金屬以鹽的形式從溶液中沉淀出來。
研究工作集中在改進工藝，使回收鋰具有經濟吸引力。鋰離子電池絕大多數產自中國、日本和韓國。因此，那里的回收產業增長最快。例如，總部位于佛山的廣東邦普——中國最大的鋰離子電池制造商CATL的子公司———每年可以回收12萬噸電池。這相當于200，000多輛汽車使用的數量，該公司能夠回收大部分鋰、鈷和鎳。倫敦循環儲能領域的咨詢公司董事總經理Hans Eric Melin表示，政府政策有助于鼓勵這一點：中國已經有了針對電池公司的財政和監管激勵措施，促使他們從電池回收公司采購材料，而不是進口新開采的材料。
歐盟委員會提出了嚴格的電池回收要求，這些要求可能從2023年開始逐步實施，盡管歐盟發展國內回收產業的前景尚不明朗。與此同時，美國政府希望花費數十億美元培育國內電動汽車電池制造行業，并支持電池回收利用，但除了將電池歸類為必須安全處置的危險廢物的現有立法之外，尚未提出其他法規。一些北美初創公司表示，他們已經能夠以與開采成本相當的成本回收電池的大部分金屬，包括鋰，盡管分析師表示，在現階段，整體經濟效益僅因鈷而有利。
更激進的方法是重復使用正極晶體，而不是像濕法冶金和火法冶金那樣破壞其結構。由Spangenberger管理的價值1500萬美元的合作項目ReCell包括三個國家實驗室、三所大學和眾多行業參與者。它正在開發技術，使回收者能夠提取正極晶體，并轉售。
Gaines說，這些再加工技術適用于一系列晶體結構和成分。但是如果一個回收中心接收到一個包含多種類型電池的廢物流，各種類型的正極材料將最終進入回收釜。這可能會使區分不同正極晶體類型的努力復雜化。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，例如使用磷酸鐵鋰的電池，但它們將很難分離出兩種同時含有鈷和鎳但比例不同的電池。Spangenberger說，出于這個和其他原因，電池應貼上標準化條形碼，來告訴回收商電池內部的成分。
另一個潛在的困難是正極的化學性質在不斷發展。制造商將在10-15年后——在當今汽車生命周期的末期——使用的正極很可能與今天的不同。最有效的方法是制造商在生命周期結束時自行收集電池。Gaines補充說，電池應該從頭開始設計，使得其更容易被拆卸、回收。
英國萊斯特大學的材料科學家Andrew Abbott認為，如果能跳過粉碎階段，直接將電池拆開，回收會更有利可圖。他和他的合作者開發了一種利用超聲波分離正極材料的技術。這種方法最適用于扁平包裝的電池，而不是卷起來的電池，Abbott補充說，這種方法可以使回收材料比新開采的金屬便宜得多。
增大規模
無論哪種回收工藝成為標準，規模增大都會有所幫助。Melin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。一旦數以百萬計的大型電池開始使用壽命結束，規模經濟將發揮作用，并使回收更高效，其商業化也更具吸引力。
分析人士表示，鉛酸電池的例子對讓人們對電池回收感到樂觀。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，一個高效的工業已經發展起來來回收它們。“超過98%的鉛酸電池被回收和循環利用，”Kamath說。“鉛酸電池的價值甚至低于鋰離子電池。但由于體量的原因，無論如何回收都是有意義的，”Melin說。
鋰離子電池市場可能需要一段時間才能達到最大規模，部分原因是這些電池已經變得異常耐用，Kamath說，目前的汽車電池可能會使用20年。Melin說，在今天銷售的電動汽車中，電池組的壽命將超過其車輛壽命。
這意味著，當舊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。取而代之的是，它們被取出并重新用于要求較低的應用，例如固定式能量存儲或為船只提供動力。經過10年的使用，像Nissan Leaf’s這樣原本能保持50千瓦時的汽車電池，最多只能損失20%的容量。
國際能源機構(IEA)5月份的另一份報告展示了一份到本世紀中葉實現全球凈零排放的路線圖，其中包括向電動交通轉型。對這一目標能夠實現的信心反映了政策制定者、研究人員和制造商之間日益增長的共識，即電動汽車面臨的挑戰現在完全可以解決——如果我們希望將氣候變化控制在可控水平，就不能浪費時間。
參考文獻：
Electric cars and batteries: how will the world produce enough?, Nature, 2021.
DOI: 10.1038/d41586-021-02222-1
https://www.nature.com/articles/d41586-021-02222-1
