《Nature》杂志：世界能否为电动车生产足够多的电池？
国际顶刊《Nature》杂志日前发表题为《电动车和电池：世界如何生产足够多的电池？》（Electric cars and batteries: how will the world produce enough?）的综述文章， 认为降低电池所需稀有金属的使用量，同时做好这些金属材料的循环回收，是未来世界向电动汽车时代过渡的关键。
文章作者Davide Castelvecchi 为《自然》杂志的记者，他为多家全球科学杂志撰稿，斯坦福大学博士毕业后在巴黎南部奥赛大学做博士后，并在加州大学圣巴巴拉分校等地任教。
奥迪在布鲁塞尔的生产车间，工人正在给电动车安装电池板（图：奥迪公司）
电动汽车的时代即将来临。今年早些时候，美国汽车巨头通用汽车（General Motors）宣布，其目标是在2035年前停止销售汽油动力和柴油动力车型。总部位于德国的奥迪（Audi）计划在2033年前停止研发新内燃机，全面转型电气化。许多其他汽车跨国公司也发布了类似的路线图。突然之间，全球主要汽车制造商对旗下燃油汽车电气化的拖延，最后变成了急于退出的冲动。
个人交通工具的电气化，正以一种即使是最热心的支持者在几年前做梦也想不到的方式在加速。许多国家的政府，采用命令的方式加速汽车的电气化变革。位于伦敦的彭博新能源财经 (BNEF) 咨询公司的预测，即使没有新的政策或法规，2035 年全球乘用车销量的一半仍然将会是电动汽车。
急速转向电动化
国际能源署 (IEA) 在 5 月发布的《可再生能源和关键矿物原材料》报告中指出，这种大规模的工业化转型，标志着“从燃料密集型能源系统，向材料密集型能源系统的转变”。未来几十年，将有数亿辆汽车上路，每辆车内都将安装有大量电池（参见上图：急速转向电动化）。 而这些电池中的每一个都将包含数十公斤尚未开采的材料。
预计未来的世界，将由电动汽车主导，材料科学家正在应对两大挑战。一是如何减少使用稀缺、昂贵或有问题的电池中的金属，因为这些稀有金属的开采，会带来恶劣的环境和社会成本。另一个是改善电池的回收，使废旧汽车电池中的有价值的金属能得到有效的再利用。“回收在这两大挑战中将发挥关键作用，”矿业工程师、BNEF金属和矿业首席分析师 Kwasi Ampofo 表示。
为了降低在电动汽车 (EV) 电池的制造和回收成本，电池和汽车制造商已经花费了数十亿美元——部分原因是政府的激励措施和即将出台的法规的预期。国家研究的资助者们，也成立了各种研究中心以研究更好的电池制造方法和回收方法。
锂电池回收Recell项目回收结构示意
在大多数情况下，金属的开采成本仍然低于回收成本，因此，一个关键目标是开发出足够便宜的工艺来回收有价值的金属，这样才可能与新开采的金属进行竞争。美国伊利诺伊州莱蒙特市的阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）的化学工程师 Jeff rey Spangenberger 说：“最大的问题还是钱的问题，成本说了算，”他负责管理一项美国联邦政府资助的锂离子电池回收计划，称为 ReCell 2。（参考：https://www.anl.gov/topic/recell）
锂电池的未来
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。
而一辆车的电池所需金属量，又因电池类型和车辆型号而异。根据阿贡国家实验室的数据，一辆车的锂离子电池组（如NMC532型号）可能包含约8公斤锂（lithium）、35公斤镍（nickel）、20公斤锰（manganese）和14公斤钴（cobalt）。
分析师预计，锂离子电池并不会很快被放弃，因为锂的成本下降很快，以至于在可预见的未来，锂电池很可能成为主导技术。现在的锂电池比上世纪90 年代初做小型锂电池首次进入市场时要便宜 30 倍，这还没考虑到它们性能的提高。BNEF 预计2，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%。（参考下图：锂电池成本急速下降）因此，电动汽车——当前售价仍然比传统汽车贵——应该会在 2025 年左右达到平价。（但目前电动汽车的全生命周期成本已经比汽油车便宜，这主要归功于其动力和维护成本更低。）
锂电池成本急速下降
锂电池的原理并不简单。为了产生电，锂离子电池将锂离子从一层（称为阳极anode）穿梭到另一层（阴极cathode）。两者被另一层电解质层（electrolyte）所隔开。其中，阴极层是电池性能的主要限制因素——也是最有值钱的金属所在。
典型的锂离子电池的阴极是一层薄薄的粘稠物，其中含有微小的晶体，其结构通常与地壳或地幔中天然存在的矿物（如橄榄石或尖晶石）相似。 这些晶体将带负电的氧原子与带正电的锂和各种其他金属——主要是镍、锰和钴的混合物进行配对。给电池充电过程，会将锂离子从这些氧化物晶体中剥离出来，并将这些离子吸引到石墨基阳极上存起来，就像被夹在碳原子层之间的三明治结构（锂电池结构和原理参见下图）。
典型的动力锂电池结构解析：电池组，电芯结构和电池化学原理
锂本身并不稀缺。BNEF 6 月发布的《2021年电动汽车展望》报告3估计，美国地质调查局统计锂金属的全球储量为 2100 万吨，够电动汽车用到本世纪中叶。储量并非最终量，代表在当前价格和给定当前技术和监管要求的情况下可以经济开采的资源量，因此可以开采更多。对于大多数金属材料而言，如果需求增加，储备量最终也可以增加。
BNEF金属和矿业首席分析师 Kwasi Ampofo 表示，随着汽车的电气化，挑战在于扩大锂的产量以满足需求。 “在 2020 年至 2030 年之间，它将增长约七倍。” 这可能会导致暂时的短缺和价格的剧烈波动。 但从长远来看，市场小问题不会改变局面。加州帕洛阿尔托电力研究所（Electric Power Research Institute）储能专家 HareshKamath 则表示， “随着更多处理能力的建设，这些短缺可能会自行解决。”
玻利维亚Uyuni盐沼锂厂中的盐堆。图片：Carlos Becerra
锂矿开采的增加也会带来自身的环境问题：目前的开采形式需要大量的能源（从岩石中提取锂）或水（从盐水中提取）。但从地热水中提取锂、使用地热能推动这一过程，被视作是更好的现代化技术。尽管锂的开采会造成环境损失，但锂矿的开采，对于用新能源取代更具环境破坏性的化石燃料开采而言，还是可以带来益处的。
研究人员更担心钴（cobalt）的短缺，这是当前动力电池中更有价值的成分。全球三分之二的钴需要在刚果民主共和国开采。很多人对那里的条件表示担忧，特别是对童工和对工人健康的危害；如果处理不当，钴是有毒的。当然也可用其他来源代替，例如在海底发现的富含金属的“结核”，但这些来源也会带来自身的环境危害。此外，动力电池的另一个主要成分镍（nickel）也可能面临着短缺问题。
管理金属原料
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。但这样的阴极材料必须精心设计，使其晶体结构不至破裂，即使在充电过程中去除了一半以上的锂离子。得州大学奥斯汀分校材料科学家 Arumugam Manthiram 说，“完全放弃钴通常会降低电池的能量密度，因为这会改变阴极的晶体结构以及钴与锂结合的紧密程度。”
Manthiram 是找到了解决该问题的方法——至少在实验室中——证明了可以从阴极中去除钴而不影响性能。他的团队通过微调阴极的生产方式，并添加少量其他金属可做到这一点，并同时保留阴极的氧化钴晶体结构。Manthiram 表示，在现有工厂中采用这种工艺应该是最直接的，他还成立了一家名为 TexPower 的初创公司，试图在未来两年内将其推向市场。当然，其他地方的实验室也都在研究无钴电池：特别是总部位于加州帕洛阿尔托的电动汽车开拓者特斯拉公司，该公司已表示计划在未来几年内从其电池中消除钴金属。
韩国首尔汉阳大学的 Sun Yang-Kook 也在无钴阴极材料中取得了进展。许多研究人员认为钴问题已基本解决。在没有钴的情况下，一样可制造出非常好的材料，而且性能非常不错。
镍虽然不如钴贵，但也不便宜。 研究人员也想去掉它。加州伯克利劳伦斯伯克利国家实验室材料科学家 Gerbrand Ceder 说：“我们已经解决了钴稀缺的问题，但由于电池规模发展的速度太快，我们还是需要面对镍短缺的问题。” 但阴极材料同时去除钴和镍，等于需要改变成根本不同的晶体结构。
一种方法是采用称为无序岩盐（disordered rock salts）的材料。这种材料的得名，是因为它们的立方晶体结构类似于氯化钠（盐），其中氧类似氯的角色，而重金属的混合物类似钠。在过去十年中，劳伦斯实验室Ceder 团队和其他团队已证明，某些富含锂的岩盐，可以让锂轻松地析入和析出——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，无序岩盐在该过程中不需要配合钴或镍来保持稳定。Ceder 表示，特别是它们可以用锰（manganese）来生产，而锰既便宜又丰富。
更好地回收
如果电池不含钴，研究人员还将将面临一个意想不到的后果。推动回收电池经济的主要因素是金属的价值，因为其他材料，尤其是锂，目前生产比回收更便宜。
在一个典型的电池回收工厂中，电池首先被切碎，这样电池就变成了粉末。 然后，在冶炼厂中液化（火法冶金pyrometallurgy）或用酸溶解（湿法冶金hydrometallurgy），再将金属粉末分解为各种元素成分。最后，金属以盐的形式从溶液中沉淀出来。
将电池粉碎获取其中的金属材料
研究工作的重点是改进工艺，使回收锂在经济上具有吸引力。绝大多数锂离子电池产自中国、日本和韩国，因此这几个国家的回收能力增长最快。例如，中国最大的锂离子电池制造商宁德时代旗下的子公司广东邦普每年可以回收 12 万吨电池，这相当于 20万辆汽车的用量，而且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 Hans Eric Melin 表示，政府的政策也鼓励回收电池：中国已经为从回收公司采购材料而不是进口新开采矿物的电池公司提供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，可能从 2023 年开始逐步实施——尽管欧盟发展回收行业的前景尚不明确。与此同时，总统拜登希望花费数十亿美元来培育美国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这些金属的成本具有竞争力的成本回收电池中的大部分金属，包括锂。
更激进的方法是重复使用阴极晶体，而不是像上述方法破坏晶体的结构。价值 1500 万美元的ReCell合作项目，包括三个国家实验室、三家大学和众多行业参与者。它正在开发一项技术，使回收商能够提取阴极晶体并将其转售。而且 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。当然，该项工艺很难分离两种均含有钴和镍但比例不同的电池类型。出于这个原因和其他原因，电池必须带有某种标准化的条形码，告诉回收商里面有什么。
雷诺汽车公司的一名工人正在拆卸电池。该公司表示正在回收所有电动汽车电池，虽然目前每年的数量还只有几百。图片：OlivierGuerrin，Photothèque Veolia
另一个潜在障碍是阴极的化学性质在不断发展。从现在起 10 到 15 年后，制造商所使用的阴极——目前一辆新的电动汽车报废时——很可能与今天的不同。因此，析出电池材料的最有效方法，也就是制造商在电池报废时收集电池。因此，电池应该从头开始设计，使它们更容易拆卸。英国莱斯特大学的材料科学家 Andrew Abbott 认为，如果跳过粉碎阶段，直接将电池分开的方法进行回收,将更加有利可图。
规模经济
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电池泛滥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。一旦数以百万计的大型电池开始报废，规模经济就会发挥作用，并使回收更有效——并且其商业案例更具吸引力。
安徽合肥蔚来生产车间
分析人士说，铅酸电池回收的例子——启动汽车的点火电池——让人有理由感到乐观。由于铅有毒，这些电池被归类为危险废物，必须安全处置。但是，尽管铅很便宜，但已经发展出一个高效的行业可对其进行回收。“超过 98% 的铅酸电池被回收和再循环，” “铅酸电池的价值虽然低于锂离子电池，但由于数量庞大，无论如何回收都是有意义的。”锂离子电池市场可能需要过一段时间才能达到最大规模，部分原因是这些电池比较耐用：目前的动力电池可能会使用 20 年。也就是说，今天出售的一辆典型的电动汽车中，电池组的寿命甚至比汽车的使用寿命更长。
这意味着当电动汽车报废时，电池通常既不会被扔掉，也不会被回收。取而代之的是，它们可取出来重新用于要求不高的场合，比如固定式储能或为船只提供动力。使用十年后，像日产Leaf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。