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電動(dòng)汽車的時(shí)代即將來臨。今年早些時(shí)候，美國汽車巨頭通用汽車宣布，其目標(biāo)是到2035年停止銷售汽油動(dòng)力和柴油車型?？偛课挥诘聡膴W迪也計(jì)劃到2033年停止生產(chǎn)這類汽車。許多其他汽車跨國公司也發(fā)布了類似的路線圖。根據(jù)倫敦的BloombergNEF (BNEF)咨詢公司的數(shù)據(jù)，即使沒有新的政策或法規(guī)，2035年全球乘用車銷量的一半也將是電動(dòng)汽車。
國際能源署(IEA)在5月份宣稱，這種大規(guī)模的工業(yè)轉(zhuǎn)換標(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，成千上萬的車輛將上路，車內(nèi)都裝有大量電池。這些電池中的每一個(gè)都含有數(shù)十公斤尚未開采的材料。
可預(yù)見的是一個(gè)由電動(dòng)汽車主導(dǎo)的世界即將到來，材料科學(xué)家正致力于兩大挑戰(zhàn)。一個(gè)是如何減少電池中稀有、昂貴金屬的使用，因?yàn)樗鼈兊拈_采會(huì)帶來嚴(yán)重的環(huán)境和社會(huì)成本。另一個(gè)是改善電池回收，這樣廢舊汽車電池中有價(jià)值的金屬可以被有效地再利用。大多數(shù)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(gè)關(guān)鍵目標(biāo)是開發(fā)回收有價(jià)值金屬的低成本工藝。
鋰的未來
研究人員面臨的第一個(gè)挑戰(zhàn)是如何減少電動(dòng)汽車電池需要開采的金屬量。根據(jù)阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)，一個(gè)汽車鋰離子電池組(一種被稱為NMC532的電池)可能含有約8千克鋰、35千克鎳、20千克錳和14千克鈷（因不同車型而異）。
鋰本身并不稀缺。根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局的數(shù)據(jù)，英國國家能源基金會(huì)6月份的一份報(bào)告估計(jì)目前的鋰金屬儲(chǔ)量為2100萬噸，這足以供電動(dòng)汽車使用到本世紀(jì)中葉。
隨著汽車電氣化，主要的挑戰(zhàn)是要擴(kuò)大鋰產(chǎn)量以滿足需求。從2020年到2030年，鋰產(chǎn)量將增長大約7倍。這可能會(huì)導(dǎo)致暫時(shí)的短缺和劇烈的價(jià)格波動(dòng)。但長期而言，市場波動(dòng)不會(huì)改變局面。隨著更多處理工藝的建立，這些短缺可能會(huì)自行解決。
鋰礦開采量的增加有其自身的環(huán)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)。從地?zé)崴刑徜噷⒊蔀橐环N新的方式。盡管這些對環(huán)境造成了損害，但開采鋰將有助于減少化石燃料的開采。
其實(shí)，研究人員更擔(dān)心鈷，這是目前電動(dòng)汽車電池中最有價(jià)值的成分。全球供應(yīng)量的三分之二在剛果民主共和國開采。電動(dòng)汽車電池的另一個(gè)主要成分鎳也可能面臨短缺。
管理金屬
為了解決原材料問題，許多實(shí)驗(yàn)室一直在致力于開發(fā)低鈷或無鈷正極。但是正極材料必須經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，即使充電過程中失去一半以上的鋰離子，材料晶體結(jié)構(gòu)也不能破壞。得克薩斯大學(xué)的材料科學(xué)家Arumugam Manthiram說大眾的觀點(diǎn)是完全放棄鈷通常會(huì)降低電池的能量密度。但他證明了這一觀點(diǎn)并非完全正確：鈷可以從正極中去除而不影響性能，至少在實(shí)驗(yàn)室里是這樣。
“我們報(bào)道的無鈷材料具有與鋰鈷氧化物相同的晶體結(jié)構(gòu)，因此具有相同或者更高的能量密度”，Manthiram說。他的團(tuán)隊(duì)通過微調(diào)正極的合成方式和添加少量其他金屬做到了這一點(diǎn)，同時(shí)保留正極的氧化鈷晶體結(jié)構(gòu)。Manthiram表示，在現(xiàn)有工廠采用這種工藝應(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)將無鈷材料推向市場。世界各地的其他實(shí)驗(yàn)室也在研究無鈷電池，尤其是特斯拉，其表示計(jì)劃將在未來幾年內(nèi)從電池中去除這種金屬。
韓國首爾漢陽大學(xué)的Sun Yang-Kook是另一位在無鈷正極方面取得類似成就的材料科學(xué)家。他說，在制造正極材料的過程中，一些技術(shù)問題可能仍然存在，因?yàn)檫@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(xiàn)在認(rèn)為鈷的問題已經(jīng)基本解決了。加拿大哈利法克斯達(dá)爾豪西大學(xué)的化學(xué)家Jeff Dahn說，Manthiram和Sun已經(jīng)證明不用鈷也能制造出非常好的材料，而且性能也非常好。
更好地回收
金屬是使回收電池有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的主要因素，因?yàn)槠渌牧?，尤其是鋰，目前開采比回收更便宜。
電池回收工廠常采用的回收方法是，首先將電池粉碎，然后在熔爐中液化(火法冶金)或在酸中溶解(濕法冶金)。最后，將金屬以鹽的形式從溶液中沉淀出來。
目前研究工作主要集中在改進(jìn)工藝，使回收鋰具有經(jīng)濟(jì)吸引力。例如，總部位于佛山的邦普公司-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(dāng)于20多萬輛汽車使用的數(shù)量，該公司能夠回收大部分鋰、鈷和鎳。
還有一種更激進(jìn)的方法是重復(fù)使用正極材料，而不是像濕法冶金和火法冶金那樣破壞其結(jié)構(gòu)。
擴(kuò)大規(guī)模
無論哪種回收工藝成為標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)模經(jīng)濟(jì)都將發(fā)揮作用。盡管媒體報(bào)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(jī)，但分析人員認(rèn)為這是一個(gè)巨大的機(jī)會(huì)。一旦數(shù)以百萬計(jì)的大型電池開始使用壽命結(jié)束，規(guī)模經(jīng)濟(jì)將發(fā)揮作用，并使得回收利用更加高效，其商業(yè)案例也更具吸引力。
分析人士表示，鉛酸電池的例子讓人們有理由感到樂觀。由于鉛有毒，這些電池被歸類為危險(xiǎn)廢物，必須安全處置。盡管鉛很便宜，但是也已經(jīng)有高效的工業(yè)已經(jīng)發(fā)展起來來回收它們，超過98%的鉛酸電池被回收和循環(huán)利用。
參考文獻(xiàn)：
https://www.nature.com/articles/d41586-021-02222-1
（來源：能源學(xué)人）
國際能源署(IEA)在5月份宣稱，這種大規(guī)模的工業(yè)轉(zhuǎn)換標(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，成千上萬的車輛將上路，車內(nèi)都裝有大量電池。這些電池中的每一個(gè)都含有數(shù)十公斤尚未開采的材料。
可預(yù)見的是一個(gè)由電動(dòng)汽車主導(dǎo)的世界即將到來，材料科學(xué)家正致力于兩大挑戰(zhàn)。一個(gè)是如何減少電池中稀有、昂貴金屬的使用，因?yàn)樗鼈兊拈_采會(huì)帶來嚴(yán)重的環(huán)境和社會(huì)成本。另一個(gè)是改善電池回收，這樣廢舊汽車電池中有價(jià)值的金屬可以被有效地再利用。大多數(shù)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(gè)關(guān)鍵目標(biāo)是開發(fā)回收有價(jià)值金屬的低成本工藝。
鋰的未來
研究人員面臨的第一個(gè)挑戰(zhàn)是如何減少電動(dòng)汽車電池需要開采的金屬量。根據(jù)阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)，一個(gè)汽車鋰離子電池組(一種被稱為NMC532的電池)可能含有約8千克鋰、35千克鎳、20千克錳和14千克鈷（因不同車型而異）。
鋰本身并不稀缺。根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局的數(shù)據(jù)，英國國家能源基金會(huì)6月份的一份報(bào)告估計(jì)目前的鋰金屬儲(chǔ)量為2100萬噸，這足以供電動(dòng)汽車使用到本世紀(jì)中葉。
隨著汽車電氣化，主要的挑戰(zhàn)是要擴(kuò)大鋰產(chǎn)量以滿足需求。從2020年到2030年，鋰產(chǎn)量將增長大約7倍。這可能會(huì)導(dǎo)致暫時(shí)的短缺和劇烈的價(jià)格波動(dòng)。但長期而言，市場波動(dòng)不會(huì)改變局面。隨著更多處理工藝的建立，這些短缺可能會(huì)自行解決。
鋰礦開采量的增加有其自身的環(huán)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)。從地?zé)崴刑徜噷⒊蔀橐环N新的方式。盡管這些對環(huán)境造成了損害，但開采鋰將有助于減少化石燃料的開采。
其實(shí)，研究人員更擔(dān)心鈷，這是目前電動(dòng)汽車電池中最有價(jià)值的成分。全球供應(yīng)量的三分之二在剛果民主共和國開采。電動(dòng)汽車電池的另一個(gè)主要成分鎳也可能面臨短缺。
管理金屬
為了解決原材料問題，許多實(shí)驗(yàn)室一直在致力于開發(fā)低鈷或無鈷正極。但是正極材料必須經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，即使充電過程中失去一半以上的鋰離子，材料晶體結(jié)構(gòu)也不能破壞。得克薩斯大學(xué)的材料科學(xué)家Arumugam Manthiram說大眾的觀點(diǎn)是完全放棄鈷通常會(huì)降低電池的能量密度。但他證明了這一觀點(diǎn)并非完全正確：鈷可以從正極中去除而不影響性能，至少在實(shí)驗(yàn)室里是這樣。
“我們報(bào)道的無鈷材料具有與鋰鈷氧化物相同的晶體結(jié)構(gòu)，因此具有相同或者更高的能量密度”，Manthiram說。他的團(tuán)隊(duì)通過微調(diào)正極的合成方式和添加少量其他金屬做到了這一點(diǎn)，同時(shí)保留正極的氧化鈷晶體結(jié)構(gòu)。Manthiram表示，在現(xiàn)有工廠采用這種工藝應(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)將無鈷材料推向市場。世界各地的其他實(shí)驗(yàn)室也在研究無鈷電池，尤其是特斯拉，其表示計(jì)劃將在未來幾年內(nèi)從電池中去除這種金屬。
韓國首爾漢陽大學(xué)的Sun Yang-Kook是另一位在無鈷正極方面取得類似成就的材料科學(xué)家。他說，在制造正極材料的過程中，一些技術(shù)問題可能仍然存在，因?yàn)檫@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(xiàn)在認(rèn)為鈷的問題已經(jīng)基本解決了。加拿大哈利法克斯達(dá)爾豪西大學(xué)的化學(xué)家Jeff Dahn說，Manthiram和Sun已經(jīng)證明不用鈷也能制造出非常好的材料，而且性能也非常好。
更好地回收
金屬是使回收電池有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的主要因素，因?yàn)槠渌牧?，尤其是鋰，目前開采比回收更便宜。
電池回收工廠常采用的回收方法是，首先將電池粉碎，然后在熔爐中液化(火法冶金)或在酸中溶解(濕法冶金)。最后，將金屬以鹽的形式從溶液中沉淀出來。
目前研究工作主要集中在改進(jìn)工藝，使回收鋰具有經(jīng)濟(jì)吸引力。例如，總部位于佛山的邦普公司-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(dāng)于20多萬輛汽車使用的數(shù)量，該公司能夠回收大部分鋰、鈷和鎳。
還有一種更激進(jìn)的方法是重復(fù)使用正極材料，而不是像濕法冶金和火法冶金那樣破壞其結(jié)構(gòu)。
擴(kuò)大規(guī)模
無論哪種回收工藝成為標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)模經(jīng)濟(jì)都將發(fā)揮作用。盡管媒體報(bào)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(jī)，但分析人員認(rèn)為這是一個(gè)巨大的機(jī)會(huì)。一旦數(shù)以百萬計(jì)的大型電池開始使用壽命結(jié)束，規(guī)模經(jīng)濟(jì)將發(fā)揮作用，并使得回收利用更加高效，其商業(yè)案例也更具吸引力。
分析人士表示，鉛酸電池的例子讓人們有理由感到樂觀。由于鉛有毒，這些電池被歸類為危險(xiǎn)廢物，必須安全處置。盡管鉛很便宜，但是也已經(jīng)有高效的工業(yè)已經(jīng)發(fā)展起來來回收它們，超過98%的鉛酸電池被回收和循環(huán)利用。
參考文獻(xiàn)：
https://www.nature.com/articles/d41586-021-02222-1
（來源：能源學(xué)人）
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