《自然》杂志：世界能否为电动汽车生产足够的电池？

《自然》杂志日前发表署名Davide Castelvecchi的文章，题目是：Electric cars and batteries: how will the world produce enough?

（世界将如何为电动汽车生产足够的电池？）

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（GeneralMotors）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年前停止生产此类车辆。许多其他汽车跨国公司也发布了类似的路线图。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。



国际能源机构（IEA）认为这一转型标志着交通部门“从燃料密集型能源系统向物质密集型能源系统的转变”。面对一个电动汽车主导的世界，材料科学家们正在研究两大挑战。一是如何减少电池中稀有、昂贵或有污染的金属，因为电池的开采会带来恶劣的环境和社会成本。另一个目标是改善电池回收，使废旧汽车电池中的贵重金属能够有效地再利用。

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。根据美国阿贡国家实验室的数据，一辆车的锂离子电池组（NMC532类型）含有约8千克锂、35千克镍、20千克锰和14千克钴。锂离子电池的成本急剧下降，在可预见的未来，锂离子电池仍将是主导技术。B专家预计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，比今天低约20%。因此，电动汽车应该在2025年左右达到与燃油汽车价格平价。


锂本身并不稀缺。根据美国地质调查局（US Geological Survey）的数据，目前的金属储量为2100万吨，足以将电动汽车使用到本世纪中叶。储量是一个可延展的概念，因为它们代表了以当前价格和当前技术和监管要求经济开采的资源量。对于大多数资源来说，如果需求增加，储量最终也会增加。

但是锂开采的增加也带来了其自身的环境问题：目前的开采形式需要大量的能源（用于从岩石中提取锂）或水（用于从卤水中提取）。但更现代的从地热水中提取锂的技术，利用地热能来驱动这个过程，被认为是更为良性的。研究人员更担心钴的供应，它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在刚果民主共和国开采。与其他重金属一样，如果处理不当，钴也是有毒的。而镍，电动汽车电池的另一个主要成分，也可能面临短缺。

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。但阴极材料必须精心设计，以使其晶体结构不会破裂。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和锂的结合程度。世界各地的其他实验室正在研究无钴电池，特斯拉计划在未来几年内消除电池中的钴。镍虽然不如钴贵，但也不便宜。研究人员也希望将其移除。一种方法是采用称为无序岩盐的材料。与传统的阴极材料不同，无序岩盐不需要钴或镍在该过程中保持稳定，可以用廉价且丰富的锰制成。

回收旧电池中的金属是另一个挑战。因为主要的材料，特别是锂，在目前条件下开采比回收更便宜。在一个典型的回收工厂中，电池首先被粉碎，然后将电池变成所有使用材料的粉末混合物。然后，通过在冶炼厂液化（火法冶金）或在酸中溶解（湿法冶金），将混合物分解为元素成分，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，使回收锂具有经济吸引力。总部位于佛山的广东布伦普（Guangdong Brunp）——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20多万辆汽车所使用的锂、钴和镍，该公司能够回收大部分锂、钴和镍。

欧盟委员会提出了严格的电池回收要求，可从2023年开始逐步实施。与此同时，美国拜登政府希望花费数十亿美元培育国内电动汽车电池制造业并支持回收利用，但除了现有立法将电池列为必须安全处置的危险废物外，还没有提出其他法规。一些北美初创公司表示，他们已经可以回收电池的大部分金属，包括锂，成本与开采成本相当。