原文作者：Davide Castelvecchi
減少稀有金屬的使用并将其回收利用，将會是全世界向電動交通工具轉變的關鍵。
電動汽車的時代近在眼前。今年早些時候，美國汽車巨頭通用汽車宣布将在2035年之前停止銷售汽油動力和柴油車型。德國奧迪公司計劃于2033年之前停止這類汽車的生産。多家其他的跨國汽車公司也都釋出了類似計劃。忽然之間，汽車制造商們都加速了他們向電動化轉型的步伐，向着電動汽車的時代邁進。
個人出行方式的電動化速度早已超出了人們的想象，即便是電動化最熱情的鼓吹者，放在幾年前可能都不敢這麼想。在許多國家，政府管控将推動這一變革。不過據倫敦彭博新能源财經（BNEF）稱，即使沒有新的政策或規範，到2035年，全球半數出售的乘用車都将是電動汽車。
布魯塞爾的奧迪工廠正在組裝電動汽車的電池。來源：Audi AG
五月，國際能源機構（IEA）稱，這一大規模的工業轉型标志着“從燃料密集型能源系統向材料密集型能源系統的轉變”[1]。在未來幾十年裡，幾千萬上億裝着大量電池的車輛将上路（見“走向電動化”）。而每一塊電池裡都包含着幾十公斤迄今尚未開采出來的材料。
來源：參考文獻2
面對着一個即将到來的由電動汽車主導的世界，材料學家們正緻力于兩大挑戰。其一是如何降低在電池材料中使用那些稀少、昂貴、或是開采中可能引起環境和社會問題的金屬。其二是改善電池的回收利用，使得廢舊汽車電池中有價值的材料得以有效重複利用。“回收利用将在其中發揮着至關重要的作用”，BNEF公司負責金屬與開采的主分析師、采礦工程師Kwasi Ampofo說。
電池和汽車制造商們已經花費了數十億美元，用來降低制造和回收利用電動汽車（EV）電池的成本——在一定程度上，是受到政府鼓勵政策和預期的未來規範所促進。國家研究資助者們也成立了研究中心，緻力于更好地生産和回收電池。由于目前為止，多數情況下開采金屬的成本仍然低于回收金屬，是以一個關鍵目标就是要發展低成本回收有價值金屬的方式，以此代替新開采的金屬。“都是錢說了算。”美國阿貢國家實驗室的一位化學工程師Jeffrey Spangenberger說。他是美國聯邦政府資助的锂離子電池回收計劃ReCell的負責人。
锂的未來
研究者們的第一項挑戰便是如何降低EV電池所需要的金屬量。不同的電池型号和車型所需要的金屬量有所不同，但是阿貢國家實驗室的圖檔顯示，一輛汽車的锂離子電池組（NMC532型）包括了約8千克锂、35千克鎳、20千克錳和14千克钴。
分析師們并不認為锂離子電池會在近期内會消失：其成本的大幅下降，使其極有可能在可預見的未來裡一直占主流。自從二十世紀90年代第一次作為小巧便攜式電池進入市場到現在，锂離子電池的價格已經降了30倍，而其性能一直在提升。BNEF預計，到2023年底，锂離子EV電池組的成本會降至低于100美元每千瓦時，大約比現在低20%（見“快速降低電池成本”）。如此一來，電動汽車——即使現在仍然比傳統汽車貴——将在二十一世紀20年代中期達到平價。（據估計，電動汽車在其使用壽命内的花銷已經低于汽油汽車了，這多虧了其較低的運作和保養成本。）
來源：M. S. Ziegler & J. E. TrancikEnergy Environ. Sci.https://doi.org/grhx (2021).
锂離子電池通過将锂離子經由内部從負極傳輸到正極來發電。正負極之間由電解液隔開。正極是影響電池性能的主要限制因素——而且通常包含了最貴的金屬材料。
锂離子電池的正極通常是一層薄薄的由微尺度晶體構成的粘性物，與地殼和地幔中自然形成的礦物結構非常類似，比如橄榄石和尖晶石。這些晶體将帶負電的氧離子和帶正電的锂離子及其他金屬離子（在大多數電動汽車中是鎳、錳、钴的混合物）配對。在電池充電的過程中，锂離子會從這些氧化物晶體中脫嵌，并轉移到石墨負極，嵌入碳原子層間儲存起來（詳見“電動汽車之心”）。
來源：Adapted from G. Harperet al. Nature575, 75–86 (2019) 和 G. Offeret al. Nature582, 485–487 (2020).
锂本身并不稀缺。BNEF在6月釋出的一份報告[2]中預計，現有金屬的儲量（美國地質調查局的資料為2100萬公噸）足夠推動電動汽車化轉變直至本世紀中期。儲量本身也不是一個固定的概念，因為其代表了某一資源以現在的價格、并在當下的技術條件和法規要求上能夠被經濟地開采利用的數量。對于大多數材料而言，當需求上漲後，其儲量也會逐漸提高。
随着汽車電動化，如何擴大锂生産的規模以滿足其需求成了一大挑戰。Ampofo說：“對锂的需求在2020到2030年間将增長7倍。”
他還說，這一增長會造成臨時的锂短缺和大幅度的價格動蕩。但是市場的小振動并不會對長期圖景産生很大影響。“當加工處理的能力得到提升，這些短缺自然就會被解決。”加州電力研究所的儲能專家Haresh Kamath說。
玻利維亞的烏尤尼鹽場中锂鹽生産裝置正在沉積鹽。來源：Carlos Becerra/Bloomberg/Getty
加速的锂礦開采也帶來了一些環境問題：現在的锂提取工藝需要消耗大量的能量（用于将锂從石頭中提取出來）和水（用于從鹽水中提取）。更現代化的技術可以通過地熱能的驅動将锂從地熱水中提取出來，這一方式對環境更為友好。盡管會付出一些環境上的代價，但開采锂鹽有助于替代破壞性的化石燃料提取。
研究者們更擔心的是钴，這是現在的EV電池中最昂貴的組分。全球三分之二的钴的供應都來自于剛果民主共和國。人權活動者們對那裡的狀況非常關注和擔憂，尤其是雇傭童工和對勞工健康的危害。和其他重金屬一樣，如果不能妥善處理，钴的毒性很大。人們也可以利用其他的钴來源，比如在海床上發現的富含金屬的“結核”，但是這對其環境也有一定危害。除此之外，EV電池的另一主要成分，鎳，也有可能面臨短缺[3]。
管理金屬
為了解決這些原料問題，許多實驗室都在研發低钴或者無钴的電極。但是，正極材料的設計必須足夠精細，以保證即使在充電過程中一半以上的锂離子都脫嵌後，其晶體結構也不會被破壞。得克薩斯大學奧斯汀分校的材料科學家Arumugam Manthiram指出，如果完全放棄钴成分，電池的能量密度通常都會下降，因為钴的缺失改變了正極的晶體結構及其與锂離子的結合力。
包括Manthiram在内，很多研究者都解決了這一問題（至少是在實驗室中）：他們表明。钴可以從正極中被移去，而電池的性能不會受到影響[4]。“我們所報道的無钴材料具有和锂钴氧化物相同的晶體結構，是以能達到相同的能量密度。”Manthiram說，并表示其性能甚至更好。為了合成這一材料，Manthiram的團隊精細調控了正極的生成方法，加入了少量的其他金屬，同時保留了正極中的钴氧化物晶體結構。Manthiram表示，這一工藝可以被直接應用到現在的工廠中，并且他們成立了一家創業公司TexPower，預計在未來兩年間将其推向市場。世界各地的實驗室也都在研究無钴電池：尤其是電動汽車制造的先驅特斯拉，稱計劃于未來幾年内消除電池中的金屬成分。
南韓漢陽大學的材料科學家Sun Yang-Kook也研制出了類似性能的無钴正極材料。Sun說在制作這些新型正極材料的過程中仍在存在着一些技術問題，因為這一工藝依賴于精煉富钴的礦石，需要昂貴的純氧環境。但是現在許多研究者都認為钴的問題已經得到解決。Manthiram和Sun“已經表明，沒有钴也能夠制作出性能非常好的材料”，加拿大達爾豪斯大學的化學家Jeff Dahn說。
在剛果民主共和國，勞工們正在盧本巴希和科盧韋齊中間的礦田中提取钴。來源：Federico Scoppa/AFP/Getty
鎳盡管沒有钴那麼貴，卻也不便宜。研究者們也希望将其從電極材料中移除。“我們已經解決了钴稀缺的問題，但因為生産規模快速擴大，很快就會迎頭碰上鎳的問題。”加州勞倫斯伯克利國家實驗室的材料科學家Gerbrand Ceder說。然而，同時移除钴和鎳，意味着需要研發出晶體結構截然不同的正極材料。
方法之一是采用一種叫做無序岩鹽的材料。顧名思義，他們具有和氯化鈉類似的立方晶體結構，其中氧離子占據着氯化鈉晶體中氯離子的位置，而混合的重金屬離子占據着鈉離子的位置。在過去的十年間，Ceder的團隊以及其他課題組都發現了某些富锂岩鹽可以實作锂離子的嵌入與脫嵌——這是保證能夠完成反複充放電的重要性質[5]。但和傳統的正極材料不同，無序岩石鹽并不需要钴或鎳來保證锂離子轉移過程中的結構穩定性。Ceder說，尤為重要的是，這類材料可能由錳構成，既便宜又充足。
優化回收
如果電池中不再含有钴，研究者們将會面臨另一個不想要的後果。钴金屬是使得電池回收有經濟價值的主要因素，因為其他的材料，尤其是锂，在現階段開采的成本都遠低于回收。
通常在一個回收工廠中，電池首先被粉碎，變成所有材料的粉末狀混合物。然後通過将其在熔爐中液化（火法冶金）或者用酸溶解（濕法冶金），該混合物被分解成其最基本的組成元素。最終，金屬以鹽的形式從溶液中沉澱出來。
德國Duesenfeld回收工廠中，一台機械粉碎機将電池子產品磨碎。來源：Wolfram Schroll/Duesenfeld
現在的研究方向主要集中在通過改善回收工藝以提高回收锂在經濟上的吸引力。絕大多數的锂離子電池都是在中國、日本和南韓生産的，因而那些地區的回收能力也增長得最快。比如，據發言人稱，佛山的廣東邦普——中國最大的锂離子電池制造商甯德時代（CATL）的一個子公司——每年可以回收12萬噸電池。這相當于20萬輛汽車所需要的電池量，而這家公司可以回收大部分的锂、钴和鎳。倫敦一家咨詢公司Circular Energy Storage的總經理Hans Eric Melin說，政府政策也大力支援電池回收：中國已經出台了經濟和監管的獎勵措施，以鼓勵電池公司從回收而非開采公司采購原料。
歐盟委員會已經提出了嚴格的電池回收要求，并計劃于2023年起分階段實施，盡管他們要發展自己的回收工廠，前景尚不明朗[6]。美國喬·拜登政府也有意撥款數十億美元來發展本國的EV電池制造工業和回收工藝，但是目前為止除了已有的将電池列為有害廢棄物、必須進行安全處理這樣的法規以外，并沒有進一步的行動。北美的一些創業公司聲稱，他們已經能夠回收電池中包括锂在内的絕大多數金屬，并且回收成本和開采成本基本持平。然而分析師們認為現階段回收電池的主要經濟優勢仍舊是來源于钴。
加拿大金斯頓的Li-Cycle電池回收工廠中，勞工從平闆上清理磨碎的電池粉末（又稱“黑塊”）。來源：Christinne Muschi/Bloomberg/Getty
相比于濕法和火法冶金這種直接破壞掉材料結構的方法而言，直接重複利用正極材料晶體更加能從根本上解決問題。ReCell計劃得到了1500萬美元的基金支援，由Spangenberger管理，由三所國家實驗室、三所大學和大量企業合作進行。該計劃現在正在研發可以讓資源回收筒直接提取正極晶體并将其重新出售的技術。其中一個關鍵步驟是切碎電池後，利用加熱、化學試劑或者其他方法将正極材料從其他組分裡分離出來。“我們之是以對維持晶體結構如此感興趣，是因為合成這樣的結構需要花費大量能源和技術。這是電池極大一部分的價值所在。”Argonne的實體化學家、ReCell的首席分析師Linda Gaines說。
Gaines說這些再加工技術對于一系列的晶體結構群組成都适用。但是如果一個回收中心收的廢物流裡包括了許多不同種類的電池，不同種類的正極材料就都會進入回收爐裡。将分離這些不同類型的正極晶體，會使回收工作十分複雜。盡管ReCell研發的工藝能輕易将鎳、錳、钴電池和其他種類的電池（如含磷酸鐵鋁的電池）分開，但分離兩種含有不同比例钴和鎳的電池卻非常費勁。因為這個以及其他一些原因，Spangenberger認為在電池上印上含有内容資訊的标準化二維碼是很有必要的。
雷諾汽車公司的一名勞工正準備拆除電池。該公司聲稱将回收其電動汽車的所有電池——目前每年隻有幾百個。來源：Olivier Guerrin, Photothèque Veolia
另一個潛在的問題是持續革新的正極材料化學。到現在這批汽車的使用壽命結束時，也就是10到15年後，汽車制造商所使用的正極很可能和現在的大不相同。最有效的将材料取出的方式，就是讓制造商們在電池的使用壽命結束後各自回收。Gaines也指出電池應設計為易于分解。
英國萊斯特大學的材料科學家Andrew Abbott則認為，若是可以略過粉碎這一步驟，直接将電池拆解，回收成本将會更低。他的團隊發展出了一種技術，利用超聲将正極材料分離[7]。這一技術對平闆組裝的電池非常有效，而卷起來的那種（一般圓柱形電池都是這樣的）稍差些。并且Abbott補充道，這和方法大大降低了回收材料的價格，使成本遠低于開采。他參加了英國政府撥款1400萬英鎊（1900萬美元）、緻力于電池可持續性的研究計劃，ReLiB。
擴大規模
無論最終哪種回收工藝成為主流，規模化都會有幫助。Melin說，盡管媒體報道總把即将到來的廢舊電池泛濫描述成迫在眉睫的危機，分析師們其實将之視為大好機遇。一旦數百萬個大型電池到達使用壽命，規模化經濟将發揮作用，使得回收更加有效——其商業案例也将更加有吸引力。
中國合肥蔚來（Nio）汽車工廠中的電動汽車生産線。來源：Qilai Shen/Bloomberg/Getty
分析師認為，用來發動汽油動力車的鉛酸蓄電池的例子，讓人們有理由對電池回收的未來保持樂觀。由于鉛的毒性，鉛酸蓄電池被分類為有害廢棄物，必須被安全處理。但是回收這些電池已經發展為一個有效産業，盡管鉛很便宜。“超過98%的鉛酸蓄電池都被回收再利用，”Kamath說。“一個鉛酸蓄電池的價值甚至比锂離子電池還低。但因為量大，回收利用就有價值。”Melin說。
Kamath還說，距離锂離子電池的市場實作其充分規模，可能還需要一段時間，一部分原因是因為這些電池格外的耐用：現在的汽車電池可以用20年，Kamath說。Melin指出，在售電動汽車内置的電池組壽命會比汽車本身還長。
這也就意味着，當一輛舊電動汽車報廢時，裡面的電池通常既不用丢棄也不用回收。它們可以直接拿出來用在一些要求較低的地方，比如固定型儲能系統或給船供電。一個原本有50千瓦時的汽車電池，比如日産聆風（Nissan Leaf）的電池，在使用十年後，最多會降低20%容量。
IEA的預測曆來以謹慎聞名，五月該機構釋出的報告中包括了在本世紀中期實作全球零排放的路線圖[8]，其中就是以交通工具電動化作為基石。人們堅信這一目标可以實作，因為決策者們、研究者們和制造商們都在逐漸達成共識，那就是電動化汽車中的挑戰都是可以解決的——并且，如果我們還希望能把氣候變化保持在可控水準，時機已刻不容緩。
不過有些研究者抱怨，就電池的環境影響來說，電動汽車似乎被要求達到一個不可能的标準。“如果為了堅持找到一個完美解決方案而放棄還行的方案，這會是不幸且得不償失的。”Kamath說，“當然了，這不是說我們不需要在廢舊電池處理的問題上繼續積極努力。”
參考文獻：
1. International Energy Agency.The Role of Critical Minerals in Clean Energy Transitions(IEA, 2021); available at https://www.iea.org/reports/the-role-of-critical-minerals-in-clean-energy-transitions
2. BloombergNEF.Electric Vehicle Outlook 2021(BNEF, 2021); available at https://about.bnef.com/electric-vehicle-outlook
3. Baars, J., Domenech, T., Bleischwitz, R., Melin, H. E. & Heidrich, O.Nature Sustain.4, 71–79 (2021).
4. Li, W., Lee, S. & Manthiram, A.Adv. Mater.32, 2002718 (2020).
5. Yang, J. H., Kim, H. & Ceder, G.Molecules26, 3173 (2021).
6. Melin, H. E.et al. Science373, 384–387 (2021).
7. Lei, C.et al. Green Chem.23, 4710–4715 (2021).
8.International Energy Agency. Net Zero by 2050: A Roadmap for the Global Energy Sector(IEA, 2021); available at https://www.iea.org/reports/net-zero-by-2050
原文以Electric cars and batteries: how will the world produce enough?為标題發表在2021年8月17日《自然》的新聞特寫版塊上
nature
doi: 10.1038/d41586-021-02222-1
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