​Nature重点评述：电动汽车的两大核心挑战！

纳米人

2021-08-22

回收电池和减少稀有金属的使用，这两个问题将是世界向电动汽车过渡的关键！

电动车的时代即将来临。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计划到2033年停止生产这类汽车。许多其他汽车跨国公司也发布了类似的路线图。

图1 一辆电动汽车的电池在布鲁塞尔的奥迪生产工厂组装。

交通工具的电气化正在加速发展，这是在几年前也无法想象的。在许多国家，政府的政策扶持将加速变革。但根据伦敦的BloombergNEF (BNEF)咨询公司的数据，即使没有新的政策或法规，2035年全球乘用车销量的一半将是电动汽车。

国际能源署(IEA)5月1日宣布，这一大规模的工业转型标志着“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，数亿车辆将上路，车内装有大量电池。这些电池中的每一个都含有数十公斤电池原材料。

图2 预测表明，到2035年，全球销售的新乘用车将有一半以上是电动的。

在可预见的电动汽车主导的世界，材料科学家正致力于两大挑战：一个是如何减少电池中稀有、昂贵或有污染的金属，因为它们的开采会带来严重的环境和社会成本；另一个是加强电池回收，这样废旧汽车电池中有价值的金属可以被有效地再利用。

电池和汽车制造商已经花费数十亿美元，来降低制造和回收电动汽车电池的成本。国家层面还资助相关研究中心，研究制造和回收电池的更好方法。因为在大多数情况下，开采金属的成本仍然低于回收金属的成本，所以一个关键目标是开发回收有价值金属的工艺，其成本足以与新开采的金属竞争。“最大的问题和挑战是钱。”美国阿贡国家实验室的化学工程师Jeffrey Spangenberger说，他管理着一项由美国联邦政府资助的锂离子电池回收计划，名为ReCell。

图3 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。

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。数量因电池类型和车辆型号而异，根据阿尔贡国家实验室的数据，一个汽车锂离子电池组(NMC532)含有约8 kg锂、35 kg镍、20 kg锰和14 kg钴。

分析人员预计产业界不会放弃锂离子电池：它们的成本已经大幅下降，在可预见的未来，它们仍然是主导技术。锂离子电池现在比20世纪90年代初作为小型便携式电池首次进入市场时便宜30倍，而且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%。因此，电动汽车——仍然比传统汽车贵——应该在2020年代中期达到价格平价。

图4 自1991年以来，锂离子电池的价格已经下跌了97%以上。

为了产生电能，锂离子电池将锂离子从负极传输到正极，两者被隔膜隔开。正极是电池性能的主要限制因素，也是稀有昂贵金属所在的部件。

典型锂离子电池正极是一层薄薄物质，其中含有微米级晶体，这些晶体的结构通常与地壳或地幔中自然存在的矿物相似，如橄榄石或尖晶石。这些晶体将带负电荷的氧与带正电荷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。给电池充电会将锂离子从这些氧化物晶体中脱嵌出来，这些离子迁移石墨负极，储存在碳原子层之间。

锂本身并不稀缺。英国国家能源基金会6月份的一份报告估计，目前的金属储量为2100万吨。储量是一个动态的概念，因为它们代表了在当前价格和当前技术，及监管要求下可以经济开采的资源量。对于大多数材料来说，如果需求上升，储量也会上升。

Ampofo表示，随着汽车电气化，挑战在于扩大锂产量以满足需求。“从2020年到2030年，它将增长大约7倍。”

加州帕洛阿尔托电力研究所的储能专家Haresh Kamath说，这可能会导致暂时的短缺和剧烈的价格波动。但长期而言，市场波动不会改变局面。“随着生产能力的扩大，这些短缺可能会自行解决”。

锂矿开采的增加有其自身的环境问题：目前的开采方式需要大量的能量(用于从岩石中提取锂)或水(用于从卤水中提取锂)。但是更现代的从地热水中提取锂的技术，使用地热能来驱动这一过程，被认为是更良性的。尽管对环境造成了一定损害，但是开采锂将有助于取代化石燃料开采。

研究人员更担心钴，这是目前电动汽车电池中最有价值的成分。全球供应量的三分之二来自刚果民主共和国。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伤害。像其他重金属一样，如果处理不当，钴是有毒的。可以开发替代资源，例如在海底发现的富含金属的“结核”，但它们本身也有环境危害。电动汽车电池的另一个主要成分镍也可能面临短缺。

金属调控

为了解决原材料问题，许多实验室一直在研究低钴或无钴正极。但是正极材料必须经过精心设计，即使充电过程中有一半以上的锂离子被去除，它们的晶体结构也不会破裂。奥斯汀得克萨斯大学的材料科学家Arumugam Manthiram说，完全放弃钴通常会降低电池的能量密度，因为它会改变正极的晶体结构，以及与锂结合的紧密程度。

Manthiram是解决这个问题的研究人员之一——至少在实验室里是这样——他证明了钴可以从正极中去除而不影响性能。“我们报道的无钴材料具有与锂钴氧化物相同的晶体结构，因此具有相同的能量密度，或者更好”Manthiram说。他的团队通过微调正极的生产方式和添加少量其他金属来做到这一点，同时保留正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也在研究无钴电池，尤其是总部位于加州帕洛阿尔托的电动汽车制造商特斯拉，表示计划在未来几年内从电池中去除这种金属。

韩国首尔汉阳大学的Sun Yang-Kook是另一位在无钴正极方面取得进展的材料科学家。Sun说，在制造新正极的过程中，一些技术问题可能仍然存在，因为这一过程依赖于提炼富镍矿石，这可能需要昂贵的纯氧气氛，但是许多研究人员现在认为钴的问题已经基本解决了。加拿大哈利法克斯达尔豪西大学的化学家Jeff Dahn说，Manthiram和Sun“已经表明，没有钴，你可以制造出非常好的正极材料，而且性能非常好”。

镍虽然没有钴贵，但也不便宜。研究人员也想去除它。加州伯克利劳伦斯伯克利国家实验室的材料科学家Gerbrand Ceder说:“我们已经解决了钴短缺的问题，但由于锂电产业扩张速度如此之快，我们正直接面临镍的问题。但是去除钴和镍都需要改变到完全不同的正极材料晶体结构。

一种方法是采用被称为无序岩盐的材料。它们之所以得名，是因为它们的立方晶体结构，类似于氯化钠的结构，氧气扮演氯的角色，重金属的混合物取代钠。在过去的十年里，Ceder的团队和其他研究小组已经表明，某些富含锂的岩盐可以让锂很容易的进出——这是重复充电的一个关键特性。但是，与传统的正极材料不同，无序的岩盐不需要钴或镍在此过程中保持稳定。Ceder说，特别是，它们可以用廉价而丰富的锰来制造。

回收策略

如果电池不含钴，研究人员将面临意想不到的后果。金属是促使回收电池的主要因素，因为其他材料，尤其是锂，目前开采比回收更便宜。

在一个回收工厂，电池首先被切碎，这将电池变成所有使用材料的粉末混合物。然后，通过在熔炉中液化(火法冶金)或在酸中溶解(湿法冶金)，混合物被分解成元素成分。最后，金属以盐的形式从溶液中沉淀出来。

研究工作集中在改进工艺，使回收锂具有经济吸引力。锂离子电池绝大多数产自中国、日本和韩国。因此，那里的回收产业增长最快。例如，总部位于佛山的广东邦普——中国最大的锂离子电池制造商CATL的子公司———每年可以回收12万吨电池。这相当于200，000多辆汽车使用的数量，该公司能够回收大部分锂、钴和镍。伦敦循环储能领域的咨询公司董事总经理Hans Eric Melin表示，政府政策有助于鼓励这一点：中国已经有了针对电池公司的财政和监管激励措施，促使他们从电池回收公司采购材料，而不是进口新开采的材料。

欧盟委员会提出了严格的电池回收要求，这些要求可能从2023年开始逐步实施，尽管欧盟发展国内回收产业的前景尚不明朗。与此同时，美国政府希望花费数十亿美元培育国内电动汽车电池制造行业，并支持电池回收利用，但除了将电池归类为必须安全处置的危险废物的现有立法之外，尚未提出其他法规。一些北美初创公司表示，他们已经能够以与开采成本相当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，整体经济效益仅因钴而有利。

更激进的方法是重复使用正极晶体，而不是像湿法冶金和火法冶金那样破坏其结构。由Spangenberger管理的价值1500万美元的合作项目ReCell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，使回收者能够提取正极晶体，并转售。

Gaines说，这些再加工技术适用于一系列晶体结构和成分。但是如果一个回收中心接收到一个包含多种类型电池的废物流，各种类型的正极材料将最终进入回收釜。这可能会使区分不同正极晶体类型的努力复杂化。虽然ReCell开发的工艺可以很容易地从其他类型的电池中分离出镍、锰和钴，例如使用磷酸铁锂的电池，但它们将很难分离出两种同时含有钴和镍但比例不同的电池。Spangenberger说，出于这个和其他原因，电池应贴上标准化条形码，来告诉回收商电池内部的成分。

另一个潜在的困难是正极的化学性质在不断发展。制造商将在10-15年后——在当今汽车生命周期的末期——使用的正极很可能与今天的不同。最有效的方法是制造商在生命周期结束时自行收集电池。Gaines补充说，电池应该从头开始设计，使得其更容易被拆卸、回收。

英国莱斯特大学的材料科学家Andrew Abbott认为，如果能跳过粉碎阶段，直接将电池拆开，回收会更有利可图。他和他的合作者开发了一种利用超声波分离正极材料的技术。这种方法最适用于扁平包装的电池，而不是卷起来的电池，Abbott补充说，这种方法可以使回收材料比新开采的金属便宜得多。

增大规模

无论哪种回收工艺成为标准，规模增大都会有所帮助。Melin说，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使用寿命结束，规模经济将发挥作用，并使回收更高效，其商业化也更具吸引力。

分析人士表示，铅酸电池的例子对让人们对电池回收感到乐观。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，一个高效的工业已经发展起来来回收它们。“超过98%的铅酸电池被回收和循环利用，”Kamath说。“铅酸电池的价值甚至低于锂离子电池。但由于体量的原因，无论如何回收都是有意义的，”Melin说。

锂离子电池市场可能需要一段时间才能达到最大规模，部分原因是这些电池已经变得异常耐用，Kamath说，目前的汽车电池可能会使用20年。Melin说，在今天销售的电动汽车中，电池组的寿命将超过其车辆寿命。

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。取而代之的是，它们被取出并重新用于要求较低的应用，例如固定式能量存储或为船只提供动力。经过10年的使用，像Nissan Leaf’s这样原本能保持50千瓦时的汽车电池，最多只能损失20%的容量。

国际能源机构(IEA)5月份的另一份报告展示了一份到本世纪中叶实现全球净零排放的路线图，其中包括向电动交通转型。对这一目标能够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完全可以解决——如果我们希望将气候变化控制在可控水平，就不能浪费时间。

参考文献：

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