Science之后，Nature重磅关注锂电！

锂电的大热让人们思考，电池的产业该如何发展、如何可持续地发展，随着各个国家和地区针对锂电推出了新政策，全球正在紧锣密鼓地探讨锂电的发展计划。

前些天，Science发表了（“影响全球！Science深度分析：欧盟电池新规，要求强制回收电池！”）

近日，Nature也对锂电的未来和回收进行了展望分析，一起来看一下：

电动汽车的时代已经来临。最近，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，奥迪计划在2033年前停止生产这类汽车。许多其他汽车跨国公司也发布了类似的路线图。

个人出行的电气化正在加速发展，就连最狂热的支持者几年前可能也没有梦想过。在许多国家，政府命令加速变革。但即使没有新的政策或法规，根据BNEF咨询公司的数据，到2035年，全球乘用车销量的一半将是电动汽车。

国际能源署(IEA)在5月1日宣布，这种大规模的工业转变标志着“从燃料密集型能源系统向材料密集型能源系统的转变”。在未来的几十年里，数以亿计的汽车将上路，车上装有巨大的电池。每一个电池都含有几十公斤的有待开采的材料。

材料科学家们期待着一个由电动汽车主导的世界，他们正在研究两大挑战。

其一是如何减少电池中金属的使用，这些金属既稀缺、昂贵，又有问题，因为它们的开采带来了严酷的环境和社会成本。

另一个是提高电池的回收利用，使废旧汽车电池中的贵重金属得到有效的再利用。

汽车制造商已经在降低电动汽车电池的制造和回收成本上花费了数十亿美元，这在一定程度上是由于政府的激励措施和对即将出台的法规的预期。国家研究基金也成立了研究中心，研究制造和回收电池的更好方法。由于在大多数情况下，开采金属仍然比回收金属便宜，因此一个关键目标是开发回收有价值金属的工艺，以足够便宜的价格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。数量取决于车辆的电池类型和模型，但一个汽车的锂离子电池组(如NMC532)可能含有8公斤的锂，镍35公斤，20公斤的锰和14公斤的钴。

分析师预计，在可预见的未来，锂离子电池的成本大幅下降，锂离子电池很可能会成为主导技术。尽管它们的性能有所提高，但现在的价格是20世纪90年代初作为小型便携式电池首次进入市场时的1/30。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，比现在低约20%。

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的地方。典型锂离子电池的阴极是一层薄薄的粘稠层，内含微尺度的晶体，其结构通常与自然存在于地壳或地幔中的矿物类似，如橄榄石或尖晶石。这种晶体将带负电荷的氧与带正电荷的锂和其他各种金属配对，通常是镍、锰和钴的混合物。给电池充电时，锂离子会从这些氧化物晶体中分离出来，并将这些离子拉到一个石墨基的阳极上，它们被夹在碳原子层之间储存起来。

锂本身并不稀缺。BNEF在6月份的一份报告估计，根据美国地质调查局的数据，目前锂的储量为2100万吨，足以让人们在本世纪中叶将锂转化为电动汽车。储量是一个可塑的概念，因为它们代表的是在当前价格下，在现有技术和监管要求下，可以经济开采的资源数量。对于大多数原材料来说，如果需求上升，储备最终也会上升。

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▲玻利维亚一盐滩的锂生产设施中的盐矿床

锂矿开采的增加也有其自身的环境问题：目前的开采形式需要大量的能源(从岩石中提取锂)或水(从盐水中提取)。但更现代的技术，即从地热水中提取锂，利用地热能来推动这一过程，被认为更为温和。尽管会对环境造成损害，但开采锂将有助于取代破坏性的化石燃料开采。

研究人员更担心的是钴，它是目前电动汽车电池最有价值的成分。全球三分之二的石油都在刚果开采。人权活动人士对那里的条件表示担忧，特别是童工和对工人健康的危害；与其他重金属一样，如果处理不当，钴也是有毒的。可以利用其他资源，比如在海底发现的富含金属的“结核”，但它们也会对环境造成危害。电动汽车电池的另一主要成分镍也可能面临短缺。

管理金属

为了解决原材料的问题，一些实验室一直在试验低钴或无钴阴极。但是阴极材料必须经过精心设计，这样即使超过一半的锂离子在充电过程中被移除，它们的晶体结构也不会破裂。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，因为它改变了阴极的晶体结构，以及它与锂的结合程度。

Manthiram是解决这个问题的研究人员之一，他证明钴可以从阴极中去除而不影响其性能，至少在实验室里是这样。Manthiram说：“我们报道的无钴材料具有与氧化钴锂相同的晶体结构，因此具有相同的能量密度”，甚至更好。他的团队通过微调阴极的生产方式和添加少量其他金属来实现这一点，同时保留阴极的钴氧化物晶体结构。Manthiram说，采用现有的这种方法应该很简单。

韩国首尔汉阳大学的Sun Yang-Kook在无钴阴极中取得了类似的性能。他说，在制造新的阴极过程中可能还存在一些技术问题，因为这一过程依赖于精炼富含镍的矿石，而这需要昂贵的纯氧环境。但许多研究人员现在认为钴的问题基本上解决了。Manthiram和Sun已经证明，你可以在没有钴的情况下制造出非常好的材料，而且性能也非常好。

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▲刚果的工人们在一个矿场附近提取钴

镍虽然没有钴贵，但也不便宜。研究人员也想换掉它。位于加州伯克利的劳伦斯伯克利国家实验室的材料科学家Gerbrand Ceder表示：“我们已经解决了钴的短缺问题，但由于我们的规模扩张速度太快，我们正直接面对镍的问题。”但是要同时去除钴和镍，阴极材料需要转换到完全不同的晶体结构。

一种方法是采用一种叫做无序岩盐的材料。它们得名于它们的立方晶体结构，类似于氯化钠，氧扮演了氯的角色，而重金属的混合物取代了钠。在过去的十年中，Ceder的团队和其他研究小组已经证明，某些富含锂的岩盐可以让锂轻松地进出，这是使反复充电成为可能的关键特性。但是，与传统的阴极材料不同，无序的岩盐在此过程中不需要钴或镍来保持稳定。Ceder说，特别是，它们可以用锰来制造，锰既便宜又丰富。

更好地回收

如果不使用钴制造电池，研究人员将面临意想不到的后果，这种金属是使回收电池经济的主要因素，因为其他材料，特别是锂，目前开采比回收更便宜。

在一个典型的回收工厂，电池首先被粉碎，然后将电池变成所有使用材料的粉末状混合物。然后，通过在熔炉中液化(火法冶金)或在酸中溶解(湿法冶金)，混合物被分解成其基本成分。最后，金属作为盐从溶液中析出。

研究工作集中在改进工艺，使回收的锂具有经济吸引力。绝大多数锂离子电池是在中国、日本和韩国生产的；因此，那里的回收能力增长最快。例如，据一位发言人介绍，总部位于佛山的邦普循环（CATL的子公司）每年可回收12万吨电池。这相当于20多万辆汽车的使用量，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，政府也在鼓励这种做法：中国已经对从回收企业实施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，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还不确定。与此同时，美国政府想要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，但除了现有的立法以外，还没有提出将电池列为必须安全处理的危险废物的规定。一些北美的初创企业表示，它们已经能够回收电池中的大部分金属，包括锂，其成本与开采这些金属的成本相比具有竞争力，尽管分析师表示，在目前阶段，整体经济优势只在于钴。

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▲磨碎的电池粉

一种更激进的方法是重新利用阴极晶体，而不是像水力冶金和高温冶金那样破坏它们的结构。由Spangenberger管理的1500万美元合作项目ReCell包括三个国家实验室、三所大学和众多行业参与者。该公司正在开发技术，使回收者能够提取阴极晶体并转售。在电池被粉碎后，一个关键步骤是用热、化学或其他方法将阴极材料与其余材料分离。“我们如此热衷于保留晶体结构的原因是，把它放在一起需要大量的能量和技术。这就是很多价值所在，”ReCell首席分析师、Argonne的物理化学家Linda Gaines说。

Gaines说，这些再处理技术适用于一系列晶体结构和组成。但是，如果回收中心接收到的废物中包含多种类型的电池，各种类型的阴极材料将最终进入回收坩埚。这可能会使分离不同阴极晶体类型的工作复杂化。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，例如那些使用磷酸铁锂的电池，但他们很难将两种电池分离出来，这两种电池都含有钴和镍，但比例不同。Spangenberger说，由于这个和其他原因，电池携带某种标准化的条形码，告诉回收者里面是什么，这将是至关重要的。

另一个潜在的障碍是阴极的化学性质在不断变化。10-15年后，也就是现在汽车生命周期的末期，制造商将使用的阴极很可能与现在的阴极截然不同。对制造商来说，最有效的回收材料的方法可能是在生命周期结束时收集自己的电池。Gaines补充说，电池应该从头开始设计，使其更容易拆卸。

莱斯特大学的材料科学家Andrew Abbott认为，如果跳过粉碎阶段，直接将电池拆解，回收将更有利可图。他和他的合作者已经开发出一种利用超声波分离阴极材料的技术。这种方法在扁平包装的电池中效果最好。Abbott补充说，这种方法可以使回收材料比原始金属便宜得多。他参与了英国政府一项价值1400万英镑的电池可持续性研究计划。

发展规模化

无论哪种回收流程成为标准，规模化都将有所帮助。尽管媒体报道倾向于将即将到来的废电池泛滥描述为一场迫在眉睫的危机，但分析人士认为这是一个巨大的机遇。一旦数以百万计的大型电池开始使用寿命结束，规模经济将开始发挥作用，使回收更有效，其商业案例也更有吸引力。

分析人士表示，铅酸电池的例子让人有理由感到乐观。由于铅是有毒的，这些电池被归类为危险废物，必须安全处理。但是，一个高效的工业已经发展起来，转而回收它们，尽管铅很便宜。超过98%的铅酸电池得到了回收，铅酸电池的价值甚至低于锂离子电池。但由于规模大，无论如何回收都是有意义的。

在锂离子电池市场完全成熟之前，可能还需要一段时间，部分原因是这些电池已经变得异常耐用：目前的汽车电池可以使用20年。Melin说，在今天销售的一辆典型的电动汽车中，电池组的寿命将会比安装它的汽车更长。

这意味着，当旧的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，它们被取出并用于要求较低的应用，如固定能源存储或驱动船只（梯次利用）。经过10年的使用，一款汽车电池，如日产Leaf，最初的容量为50千瓦时，最多将损失20%的容量。

国际能源署5月份的另一份报告包括了到本世纪中叶实现全球净零排放的路线图，其中包括将电力运输作为基石。国际能源署一向以谨慎的预测著称。相信这是可以实现的，这反映了决策者、研究人员和制造商之间越来越多的共识，即电动汽车面临的挑战现在已经完全可以解决，如果我们希望将气候变化保持在可控水平，就不能再浪费时间了。

但一些研究人员抱怨称，就电池对环境的影响而言，电动汽车似乎被设定了一个不可能的标准。卡马斯说：“如果坚持一个完美的解决方案，而放弃一个好的解决方案，那将是不幸的，而且会适得其反。当然，这并不意味着我们不应该在电池处理问题上积极努力。”

原文链接：

https：//doi.org/10.1038/d41586-021-02222-1

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