《自然》雜志日前發(fā)表署名Davide Castelvecchi的文章，題目是：Electric cars and batteries: how will the world produce enough?

（世界將如何為電動汽車生產(chǎn)足夠的電池？）

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（GeneralMotors）宣布，其目標(biāo)是在2035年前停止銷售汽油動力和柴油動力車型。總部位于德國的奧迪（Audi）計劃在2033年前停止生產(chǎn)此類車輛。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將是電動汽車。



國際能源機構(gòu)（IEA）認(rèn)為這一轉(zhuǎn)型標(biāo)志著交通部門“從燃料密集型能源系統(tǒng)向物質(zhì)密集型能源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變”。面對一個電動汽車主導(dǎo)的世界，材料科學(xué)家們正在研究兩大挑戰(zhàn)。一是如何減少電池中稀有、昂貴或有污染的金屬，因為電池的開采會帶來惡劣的環(huán)境和社會成本。另一個目標(biāo)是改善電池回收，使廢舊汽車電池中的貴重金屬能夠有效地再利用。

研究人員面臨的第一個挑戰(zhàn)是減少電動汽車電池需要開采的金屬量。根據(jù)美國阿貢國家實驗室的數(shù)據(jù)，一輛車的鋰離子電池組（NMC532類型）含有約8千克鋰、35千克鎳、20千克錳和14千克鈷。鋰離子電池的成本急劇下降，在可預(yù)見的未來，鋰離子電池仍將是主導(dǎo)技術(shù)。B專家預(yù)計2023年鋰離子電動汽車電池組的成本將降至每千瓦時100美元以下，比今天低約20%。因此，電動汽車應(yīng)該在2025年左右達到與燃油汽車價格平價。


鋰本身并不稀缺。根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局（US Geological Survey）的數(shù)據(jù)，目前的金屬儲量為2100萬噸，足以將電動汽車使用到本世紀(jì)中葉。儲量是一個可延展的概念，因為它們代表了以當(dāng)前價格和當(dāng)前技術(shù)和監(jiān)管要求經(jīng)濟開采的資源量。對于大多數(shù)資源來說，如果需求增加，儲量最終也會增加。

但是鋰開采的增加也帶來了其自身的環(huán)境問題：目前的開采形式需要大量的能源（用于從巖石中提取鋰）或水（用于從鹵水中提取）。但更現(xiàn)代的從地?zé)崴刑崛′嚨募夹g(shù)，利用地?zé)崮軄眚?qū)動這個過程，被認(rèn)為是更為良性的。研究人員更擔(dān)心鈷的供應(yīng)，它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。與其他重金屬一樣，如果處理不當(dāng)，鈷也是有毒的。而鎳，電動汽車電池的另一個主要成分，也可能面臨短缺。

為了解決原材料的問題，一些實驗室一直在試驗低鈷或無鈷陰極。但陰極材料必須精心設(shè)計，以使其晶體結(jié)構(gòu)不會破裂。完全放棄鈷通常會降低電池的能量密度，因為它改變了陰極的晶體結(jié)構(gòu)和鋰的結(jié)合程度。世界各地的其他實驗室正在研究無鈷電池，特斯拉計劃在未來幾年內(nèi)消除電池中的鈷。鎳雖然不如鈷貴，但也不便宜。研究人員也希望將其移除。一種方法是采用稱為無序巖鹽的材料。與傳統(tǒng)的陰極材料不同，無序巖鹽不需要鈷或鎳在該過程中保持穩(wěn)定，可以用廉價且豐富的錳制成。

回收舊電池中的金屬是另一個挑戰(zhàn)。因為主要的材料，特別是鋰，在目前條件下開采比回收更便宜。在一個典型的回收工廠中，電池首先被粉碎，然后將電池變成所有使用材料的粉末混合物。然后，通過在冶煉廠液化（火法冶金）或在酸中溶解（濕法冶金），將混合物分解為元素成分，最后金屬以鹽的形式從溶液中沉淀出來。研究工作的重點是改進工藝，使回收鋰具有經(jīng)濟吸引力。總部位于佛山的廣東布倫普（Guangdong Brunp）——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(dāng)于20多萬輛汽車所使用的鋰、鈷和鎳，該公司能夠回收大部分鋰、鈷和鎳。

歐盟委員會提出了嚴(yán)格的電池回收要求，可從2023年開始逐步實施。與此同時，美國拜登政府希望花費數(shù)十億美元培育國內(nèi)電動汽車電池制造業(yè)并支持回收利用，但除了現(xiàn)有立法將電池列為必須安全處置的危險廢物外，還沒有提出其他法規(guī)。一些北美初創(chuàng)公司表示，他們已經(jīng)可以回收電池的大部分金屬，包括鋰，成本與開采成本相當(dāng)。