减少稀缺金属的使用并回收利用它们将是世界向电动汽车过渡的关键。
电动汽车的时代已然来临。今年早些时候，美国汽车巨头通用汽车宣布，其目标是到 2035 年停止销售汽油动力和柴油车型。总部位于德国的奥迪也计划到 2033 年停止生产此类汽车。许多其他汽车跨国公司也发布了类似的路线图。突然之间，主要汽车制造商在车队电气化方面的拖延正在变成退出的热潮。
个人出行的电气化正在加速，即使是最热心的支持者在几年前可能也做梦也想不到。在许多国家，政府的授权将加速变革。但根据伦敦彭博新能源财经（BNEF）咨询公司的数据，即使没有新的政策或法规，到 2035 年全球乘用车销量的一半也将是电动汽车。
预计世界将以电动汽车为主导，材料科学家正在应对两大挑战。一是如何减少电池中稀缺、昂贵或有问题的金属，因为它们的开采会带来严峻的环境和社会成本。另一种是改善电池回收利用，使废旧汽车电池中的有价金属能够得到有效的再利用。“回收将在其中发挥关键作用，”
电池和汽车制造商已经花费数十亿美元来降低电动汽车 （EV） 电池的制造和回收成本——部分原因是政府的激励措施和对即将出台的法规的预期。国家研究资助者还建立了中心，研究制造和回收电池的更好方法。由于在大多数情况下，开采金属的成本仍然低于回收金属的成本，因此一个关键目标是开发以足够便宜的价格回收有价值金属的工艺，以与新开采的金属竞争。
--锂的未来--
研究人员面临的第一个挑战是减少电动汽车电池需要开采的金属量。根据阿贡国家实验室的数据，数量因电池类型和车辆型号而异，但单个汽车三元锂离子电池组（称为 NMC532 的类型）可能含有约 8 公斤锂、35 公斤镍、20 公斤锰和 14 公斤钴。
分析师预计锂离子电池不会很快放弃：它们的成本已经急剧下降，以至于它们很可能在可预见的未来成为主导技术。它们现在比 30 年代初期作为小型便携式电池首次进入市场时便宜 1990 倍，尽管它们的性能有所提高。BNEF 预计，到 2023 年，锂离子电动汽车电池组的成本将降至每千瓦时 100 美元以下，或比现在低约 20%（参见“电池成本暴跌”）。因此，电动汽车——仍然比传统汽车更贵——应该会在 2020 年代中期达到价格平价。（据估计，电动汽车在其使用寿命内已经比汽油车便宜，这要归功于电力和维护成本较低。
为了发电，锂离子电池在内部将锂离子从一层（称为阳极）穿梭到另一层（阴极）。两者被另一层电解质隔开。阴极是电池性能的主要限制因素，也是最有价值的金属所在。
典型锂离子电池的阴极是一层薄薄的粘液，含有微尺度晶体，这些晶体的结构通常与地壳或地幔中天然存在的矿物相似，例如橄榄石或尖晶石。这些晶体将带负电的氧与带正电的锂和各种其他金属配对——在大多数电动汽车中，是镍、锰和钴的混合物。给电池充电会从这些氧化物晶体中剥离锂离子，并将离子拉到石墨基阳极，在那里它们被储存起来，夹在碳原子层之间。
电动汽车中的电池组由数千个电池组成，并配有电子设备来管理充电和放电。为了防止过热，一些设备包括主动冷却系统。一个电池组可以容纳数十公斤的贵重金属。
在电池内部，片状电极（阳极和阴极）卷曲或夹在一起，电解质占据了其间的空间。
当锂离子从阳极通过电解质流到阴极时，锂离子电池会产生电力，迫使电子在外部电路中流动。充电会逆转这一过程。
锂本身并不稀缺。根据美国地质调查局的数据，目前的金属储量为 2100 万吨，足以将电动汽车的转换延续到本世纪中叶。储量是一个可塑性的概念，因为它们代表了根据当前技术和监管要求，可以以当前价格经济开采的资源量。对于大多数材料来说，如果需求增加，储量最终也会增加。
锂矿开采的增加有其自身的环境问题：目前的开采形式需要大量的能源（从岩石中提取的锂）或水（从盐水中提取）。但从地热水中提取锂的更现代的技术，利用地热能驱动这一过程，被认为更良性。尽管对环境造成了这种损失，但开采锂将有助于取代破坏性的化石燃料开采。
研究人员更担心钴，钴是当前电动汽车电池中最有价值的成分。全球三分之二的供应是在刚果民主共和国开采的。人权活动人士对那里的条件表示关切，特别是童工和对工人健康的损害;与其他重金属一样，如果处理不当，钴是有毒的。可以开发其他来源，例如在海底发现的富含金属的“结核”，但它们本身就存在环境危害。电动汽车电池的另一个主要成分镍也可能面临短缺
--改造金属--
为了解决原材料问题，许多实验室一直在试验低钴或无钴阴极。但阴极材料必须经过精心设计，使其晶体结构不会破裂，即使在充电过程中去除了一半以上的锂离子。德克萨斯大学奥斯汀分校的材料科学家 Arumugam Manthiram 说，完全放弃钴通常会降低电池的能量密度，因为它会改变阴极的晶体结构以及它与锂的紧密结合程度。
Manthiram 是解决这个问题的研究人员之一，他的团队通过微调阴极的生产方式并添加少量其他金属来做到这一点，同时保留阴极的氧化钴晶体结构。Manthiram 表示，在现有工厂采用这一工艺应该很简单，并成立了一家名为 TexPower 的初创公司，试图在未来两年内将其推向市场。世界各地的其他实验室正在研究无钴电池：特别是总部位于加利福尼亚州帕洛阿尔托的先驱电动汽车制造商特斯拉表示，它计划在未来几年内从其电池中消除这种金属。
韩国首尔汉阳大学的 Sun Yang-Kook 是另一位在无钴阴极方面取得类似性能的材料科学家。Sun 说，在制造新阴极时可能仍然存在一些技术问题，因为该过程依赖于提炼富镍矿石，这可能需要昂贵的纯氧气氛。但许多研究人员现在认为钴问题基本上已经解决。
镍虽然没有钴那么贵，但也不便宜。研究人员也想删除它。“我们已经解决了钴短缺问题，但由于我们的规模发展如此之快，我们正直奔镍问题，”加利福尼亚州伯克利劳伦斯伯克利国家实验室的材料科学家格布兰德·塞德说。但要同时去除钴和镍，就需要改用完全不同的正极材料晶体结构。
一种方法是采用称为无序岩盐的材料。它们因其立方晶体结构而得名，类似于氯化钠，氧气起氯的作用，重金属的混合物取代钠。在过去的十年中，Ceder 的团队和其他小组已经表明，某些富含锂的岩盐使锂能够轻松滑入和滑出，这是实现重复充电的关键特性。但是，与传统的阴极材料不同，无序岩盐不需要钴或镍来在此过程中保持稳定。特别是它们可以用锰制成，锰既便宜又丰富。
--更好地回收--
如果电池的制造不含钴，研究人员将面临意想不到的后果。金属是使回收电池经济的主要因素，因为其他材料，尤其是锂，目前开采比回收便宜。
在典型的回收厂中，电池首先被切碎，将电池变成所有所用材料的粉末混合物。然后，通过在冶炼厂液化（火法冶金）或将其溶解在酸中（湿法冶金），将混合物分解成其元素成分。最后，金属以盐的形式从溶液中沉淀出来。
研究工作的重点是改进工艺，使再生锂具有经济吸引力。绝大多数锂离子电池产自中国、日本和韩国；因此，那里的回收能力增长最快。例如，总部位于佛山的广东润普——宁德时代的子公司——宁德时代是中国最大的锂离子电池制造商——每年可以回收 120,000 吨电池。这相当于 200,000 多辆汽车的使用量，该公司能够回收大部分锂、钴和镍。伦敦咨询公司 Circular Energy Storage 的董事总经理汉斯·埃里克·梅林（Hans Eric Melin）表示，中国已经对从回收公司采购材料而不是进口新鲜开采的电池公司提供了财政和监管激励措施。
欧盟委员会提出了严格的电池回收要求，这些要求从 2023 年开始分阶段实施——尽管欧盟发展国内回收产业的前景尚不确定。与此同时，美国总统，拜登政府希望花费数十亿美元来培育国内电动汽车电池制造业并支持回收利用，但尚未提出超出现有立法的法规，将电池归类为必须安全处置的危险废物。一些北美初创公司表示，他们已经可以以与开采电池的成本相比具有竞争力的成本回收电池的大部分金属，包括锂，尽管分析师表示，在现阶段，整体经济只是因为钴而有利。
一种更激进的方法是重复使用阴极晶体，而不是像湿法冶金和火法冶金那样破坏其结构。ReCell 是由 Spangenberger 管理的耗资 1500 万美元的合作项目，包括三个国家实验室、三所大学和众多行业参与者。它正在开发技术，使回收商能够提取阴极晶体并转售。电池切碎后，一个关键步骤是使用加热、化学品或其他方法将正极材料与其他材料分离。
这些后处理技术适用于一系列晶体结构和成分。但是，如果回收中心收到包含多种电池的废物流，各种类型的正极材料最终将进入回收大锅。这可能会使分离不同阴极晶体类型的工作变得复杂。尽管 ReCell 开发的工艺可以轻松地将镍、锰和钴与其他类型的电池（例如使用磷酸铁锂的电池）分离出来，但它们很难分离出两种都含有钴和镍但比例不同的电池。出于这个和其他原因，电池携带某种标准化条形码来告诉回收商里面有什么至关重要。
另一个潜在的障碍是阴极的化学成分在不断发展。制造商将在 10 到 15 年后（在当今汽车生命周期结束时）使用的阴极很可能与今天不同。取出材料的最有效方法可能是制造商在生命周期结束时收集自己的电池。盖恩斯补充说，电池应该从头开始设计，使其更容易拆卸。
英国莱斯特大学的材料科学家安德鲁·阿博特 （Andrew Abbott） 认为，如果回收跳过粉碎阶段并直接拆开电池，那么回收将更有利可图。他和他的合作者开发了一种使用超声波分离阴极材料的技术。这在扁平包装而不是卷起的电池中效果最好（就像普通的“圆柱形”电池那样），并且，雅培补充说，可以使回收材料比原始开采金属便宜得多。他参与了一项耗资 1400 万英镑（1900 万美元）的英国政府电池可持续性研究计划，名为 ReLiB。
--规模化--
无论哪种回收过程成为标准，规模化都会有所帮助。尽管媒体报道倾向于将即将到来的废旧电池洪水描述为迫在眉睫的危机，但分析师认为这是一个巨大的机会。一旦数百万个大型电池开始达到使用寿命，规模经济就会发挥作用，使回收效率更高，其商业案例也更具吸引力。
有分析人士表示，铅酸电池——启动汽油动力汽车的电池的例子让我们有理由感到乐观。由于铅有毒，这些电池被归类为危险废物，必须安全处理。但一个高效的行业已经发展起来，可以回收它们，尽管铅很便宜。并且超过 98% 的铅酸电池被回收和回收。
锂离子电池市场可能需要一段时间才能达到其全部规模，部分原因是这些电池已经变得非常耐用：目前的汽车电池可以使用长达 20 年。且在今天销售的典型电动汽车中，电池组的使用寿命将超过其内置的车辆。
这意味着，当旧电动汽车被送去报废时，电池通常既不会被扔掉，也不会被回收。相反，它们被取出并重新用于要求不高的应用，例如固定储能或为船只提供动力。使用十年后，像日产聆风这样原本容量为 50 千瓦时的汽车电池最多会损失 20% 的容量。
国际能源署（IEA）的另一份报告中，该组织以其历来谨慎的预测而闻名，其中包括到本世纪中叶实现全球净零排放的路线图，其中包括将转向电动交通作为基石。对这是可以实现的信心反映了政策制定者、研究人员和制造商之间日益增长的共识，即电动汽车面临的挑战现在是完全可以解决的——如果我们想有希望将气候变化控制在可控的水平，就没有时间可以浪费了。
全部评论 （0）