Nature：鋰足夠用，但“鈷奶奶”惹不起

電動汽車的時代即將來臨。今年早些時候，美國汽車巨頭通用汽車宣布，其目標是到2035年停止銷售汽油動力和柴油車型?？偛课挥诘聡膴W迪也計劃到2033年停止生產(chǎn)這類汽車。許多其他汽車跨國公司也發(fā)布了類似的路線圖。根據(jù)倫敦的BloombergNEF (BNEF)咨詢公司的數(shù)據(jù)，即使沒有新的政策或法規(guī)，2035年全球乘用車銷量的一半也將是電動汽車。

國際能源署(IEA)在5月份宣稱，這種大規(guī)模的工業(yè)轉(zhuǎn)換標志著“從燃料密集型能源系統(tǒng)向材料密集型能源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變”。未來幾十年，成千上萬的車輛將上路，車內(nèi)都裝有大量電池。這些電池中的每一個都含有數(shù)十公斤尚未開采的材料。

可預(yù)見的是一個由電動汽車主導(dǎo)的世界即將到來，材料科學(xué)家正致力于兩大挑戰(zhàn)。一個是如何減少電池中稀有、昂貴金屬的使用，因為它們的開采會帶來嚴重的環(huán)境和社會成本。另一個是改善電池回收，這樣廢舊汽車電池中有價值的金屬可以被有效地再利用。大多數(shù)情況下，開采金屬的成本仍然低于回收金屬的成本，所以一個關(guān)鍵目標是開發(fā)回收有價值金屬的低成本工藝。

鋰的未來

研究人員面臨的第一個挑戰(zhàn)是如何減少電動汽車電池需要開采的金屬量。根據(jù)阿貢國家實驗室的數(shù)據(jù)，一個汽車鋰離子電池組(一種被稱為NMC532的電池)可能含有約8千克鋰、35千克鎳、20千克錳和14千克鈷(因不同車型而異)。

鋰本身并不稀缺。根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局的數(shù)據(jù)，英國國家能源基金會6月份的一份報告估計目前的鋰金屬儲量為2100萬噸，這足以供電動汽車使用到本世紀中葉。

隨著汽車電氣化，主要的挑戰(zhàn)是要擴大鋰產(chǎn)量以滿足需求。從2020年到2030年，鋰產(chǎn)量將增長大約7倍。這可能會導(dǎo)致暫時的短缺和劇烈的價格波動。但長期而言，市場波動不會改變局面。隨著更多處理工藝的建立，這些短缺可能會自行解決。

鋰礦開采量的增加有其自身的環(huán)境問題：目前的開采方式需要大量的能量(用于從巖石中提取鋰)或水(用于從鹵水中提取鋰)。從地熱水中提鋰將成為一種新的方式。盡管這些對環(huán)境造成了損害，但開采鋰將有助于減少化石燃料的開采。

其實，研究人員更擔心鈷，這是目前電動汽車電池中最有價值的成分。全球供應(yīng)量的三分之二在剛果民主共和國開采。電動汽車電池的另一個主要成分鎳也可能面臨短缺。

管理金屬

為了解決原材料問題，許多實驗室一直在致力于開發(fā)低鈷或無鈷正極。但是正極材料必須經(jīng)過精心設(shè)計，即使充電過程中失去一半以上的鋰離子，材料晶體結(jié)構(gòu)也不能破壞。得克薩斯大學(xué)的材料科學(xué)家Arumugam Manthiram說大眾的觀點是完全放棄鈷通常會降低電池的能量密度。但他證明了這一觀點并非完全正確：鈷可以從正極中去除而不影響性能，至少在實驗室里是這樣。

“我們報道的無鈷材料具有與鋰鈷氧化物相同的晶體結(jié)構(gòu)，因此具有相同或者更高的能量密度”，Manthiram說。他的團隊通過微調(diào)正極的合成方式和添加少量其他金屬做到了這一點，同時保留正極的氧化鈷晶體結(jié)構(gòu)。Manthiram表示，在現(xiàn)有工廠采用這種工藝應(yīng)該很簡單，并成立了一家名為TexPower的初創(chuàng)公司，試圖在未來兩年內(nèi)將無鈷材料推向市場。世界各地的其他實驗室也在研究無鈷電池，尤其是特斯拉，其表示計劃將在未來幾年內(nèi)從電池中去除這種金屬。

韓國首爾漢陽大學(xué)的Sun Yang-Kook是另一位在無鈷正極方面取得類似成就的材料科學(xué)家。他說，在制造正極材料的過程中，一些技術(shù)問題可能仍然存在，因為這一過程依賴于提煉富鎳礦石，這可能需要昂貴的純氧氣氛。但是許多研究人員現(xiàn)在認為鈷的問題已經(jīng)基本解決了。加拿大哈利法克斯達爾豪西大學(xué)的化學(xué)家Jeff Dahn說，Manthiram和Sun已經(jīng)證明不用鈷也能制造出非常好的材料，而且性能也非常好。

更好地回收

金屬是使回收電池有經(jīng)濟價值的主要因素，因為其他材料，尤其是鋰，目前開采比回收更便宜。

電池回收工廠常采用的回收方法是，首先將電池粉碎，然后在熔爐中液化(火法冶金)或在酸中溶解(濕法冶金)。最后，將金屬以鹽的形式從溶液中沉淀出來。

目前研究工作主要集中在改進工藝，使回收鋰具有經(jīng)濟吸引力。例如，總部位于佛山的邦普公司-中國最大的鋰離子電池制造商CATL的子公司，每年可以回收12萬噸電池。這相當于20多萬輛汽車使用的數(shù)量，該公司能夠回收大部分鋰、鈷和鎳。

還有一種更激進的方法是重復(fù)使用正極材料，而不是像濕法冶金和火法冶金那樣破壞其結(jié)構(gòu)。

擴大規(guī)模

無論哪種回收工藝成為標準，規(guī)模經(jīng)濟都將發(fā)揮作用。盡管媒體報道傾向于將即將到來的廢電池泛濫描述為迫在眉睫的危機，但分析人員認為這是一個巨大的機會。一旦數(shù)以百萬計的大型電池開始使用壽命結(jié)束，規(guī)模經(jīng)濟將發(fā)揮作用，并使得回收利用更加高效，其商業(yè)案例也更具吸引力。

分析人士表示，鉛酸電池的例子讓人們有理由感到樂觀。由于鉛有毒，這些電池被歸類為危險廢物，必須安全處置。盡管鉛很便宜，但是也已經(jīng)有高效的工業(yè)已經(jīng)發(fā)展起來來回收它們，超過98%的鉛酸電池被回收和循環(huán)利用。

參考文獻：

https://www.nature.com/articles/d41586-021-02222-1