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。
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。
