未来由锂离子电池驱动。但我们是否让地球付出了过高代价?

The shift to electric cars means rising demand for lithium ion batteries. But at what cost?
The shift to electric cars means rising demand for lithium ion batteries. But at what cost?Image: REUTERS/Tyrone Siu
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电池技术正迅速成为可持续能源革命的新前沿。

上周,中国与英国、法国、印度和挪威一道宣布计划,淘汰燃气汽车和柴油车,转而采用电动汽车。与此同时,太阳能和其他可再生能源的快速增长,需要储能技术来实现有效的电网级应用。据预测,这些趋势将推动全球锂离子电池年产量从目前的30 GWh增至未来几年内的200 GWh。

如今,人们开始质疑:我们是否拥有足够的原材料来满足储能技术不断增长的需求?这些材料又有多可持续?

锂离子电池:技术

锂离子电池的突出之处在于,同一项基础技术可以用于许多不同领域:医疗设备、手机、电脑、电动工具、无人机、混合动力汽车和纯电动汽车、公交车、渡轮、飞机,以及微电网或家用储能。

为适应这些不同用途,锂离子电池电芯的尺寸和形状各异。一个棱柱形电芯即可用于智能手机电池;而特斯拉Model S汽车的85 kWh电池组,则由7104个圆柱形电芯(类似AA电池,但尺寸更大)连接组成。仅消费电子市场,如今每年生产的可充电锂离子电芯就超过10亿个。我们对电子设备的热衷推动了产量扩大和规模经济,并使锂离子电池电芯的成本在过去五年间接近下降三分之二,从约400美元/kWh降至150美元/kWh。

到2025年,全球锂离子电池需求预计将增加一倍以上Image: 德意志银行

钴对于锂离子电池行业的重要性

人们经常质疑锂的可持续性,却较少讨论钴。然而,自1991年索尼将我们今天所熟知的锂离子电池商业化以来,电池行业一直依赖这种元素;如今,一块智能手机电池含有1克锂和8克钴。在锂离子电芯中,钴并非以元素形态存在,而是存在于数百万个微小颗粒中,这些颗粒由含锂和钴的氧化物构成,并连接到电芯的“正极”端。含钴化合物是锂离子电池性能的核心。它们决定一定质量和体积内可以储存多少锂,直接影响电芯的能量密度。

如今,锂离子电池市场已使用全球开采钴总量的40%以上。然而,一辆电动汽车需要10千克钴,是一块智能手机电池所需钴量的1000倍。随着电动汽车日益普及,以及风能和太阳能等间歇性可再生能源的使用不断增加,未来几年锂离子电池所需的钴量预计将大幅攀升。

全球大部分钴来自赞比亚和刚果民主共和国(DRC)等矿产资源丰富的地区。两年前,国际特赦组织发布报告,提高了公众对刚果民主共和国钴矿童工问题的关注。尽管业界努力开展尽职调查,行业专家仍承认,来源存疑的钴很可能流入消费品应用。

如果含钴化合物很容易替代,出于经济原因,人们早就这样做了。与镍(15美元/千克)、锰(2美元/千克)和铁(矿石成本低于1美元/千克)等其他过渡金属相比,钴最为昂贵(30美元/千克)。然而,除用于许多高功率应用的磷酸铁锂外,几乎所有商用正极材料(即电池内部正极一侧的材料)都含有钴。要从锂离子电池中去除钴,主要障碍在于找到一种替代材料,同时仍能让电芯完成数千次充放电循环。

在充电和放电过程中,锂原子从电芯中的活性材料内脱出并嵌入其中,导致材料收缩和膨胀。随着时间推移,原子的这种反复机械重排会使材料退化。氧化钴锂(LCO)是最能抵抗此类退化的材料之一,因为钴原子和氧原子结合紧密,形成层状结构,锂离子可以在其中滑入滑出。

用氧化镍锂或氧化锰锂完全替代LCO,会产生不安全或不稳定的电芯;但可以用镍、锰和铝原子部分且安全地替代LCO中的钴原子。例如,镍锰钴酸锂(NMC)如今用于许多手机,而镍钴铝酸锂(NCA)则最广为人知地用于特斯拉汽车。

这类所谓的“金属取代型钴氧化物”是电池领域的热门趋势。它们不仅能将所需钴量减少至原来的三分之一到五分之一,从而节省成本,而且以镍取代钴还能将活性材料的能量密度从约550瓦时/千克(Wh/kg)提高至最高750 Wh/kg。2014年,33%的电芯使用LCO,只有23%使用NMC。预计到2025年,使用LCO的电芯将不足20%,而使用NMC的将超过40%。

回收锂离子电池

在思考如何让锂离子电池储能更具可持续性时,回收似乎是合乎逻辑的途径。在美国,99%的铅酸电池都会被收集和回收。然而,锂离子电池的回收并非如此简单。由于电芯类型多样,组成材料范围广泛——有时电芯包装上甚至没有注明这些材料——锂离子电池的回收方式有限,而且往往需要人工分拣和处理。一些工厂采用火法冶金,将送抵厂内的所有锂离子电芯熔炼。熔炼所得的钴、镍和铜合金,随后可以加工成单独的金属,或用于制造电池材料的前驱体,例如碳酸钴。

回收工作有望扩大规模,从而减少每年需要开采的钴量。消费者日益认识到回收锂离子电池的重要性,政府也很可能出台更多法规推动回收。此外,流通中的大型汽车电芯数量增加,也将有助于回收工作;这类电芯往往更加标准化,回收电芯的过程也更容易管控。

鉴于如今流通中的电池含有大量昂贵的钴,到2025年,钴回收可能成为一个年产值达10亿美元的产业。然而,这种盈利能力在很大程度上取决于电池中含有大量钴,以及钴和镍价格维持高位。

未来十年,钴的供应量可能大幅增加。如今开采的最富钴矿床,钴含量也仅占百分之几。然而,海底存在钴含量高出20至30倍的矿床。联合国国际海底管理局正在授予这些矿床的采矿权,深达4公里的开采技术也在开发中,预计到2025年开始开采。

开发这些新的矿产资源或许能缓解业界对钴供应和成本的担忧,但也会引发有关钴矿开采环境影响的新问题,并可能削弱材料化学和回收领域的创新动力。

前进之路

我们需要开始探讨锂离子电池的未来,并制定行动计划,让这一行业的众多参与者——矿业公司、材料制造商、电芯制造商、设备制造商、汽车行业、研究人员、政府和消费者——携手合作,提高这种应用最广泛的储能技术的可持续性。

本周,在其于纽约举行的可持续发展影响峰会上,世界经济论坛将启动全球电池联盟,目标正是如此。

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