稀有金属与电池回收技术,将成为电动车未来发展的关键

电动车的时代已经来临。今(2021)年上半年,美国汽车龙头通用汽车公司(General Motors,GM)宣布将以2035年停止销售汽车和柴油车为目标。而总部位于德国的奥迪(Audi)也计画于2033年停止生产汽车,不仅如此,全球许多汽车公司也宣布类似的目标。

尽管未来趋势走向由电动车主导车用市场,但是材料科学家正面临两大挑战。一是如何减少电池中稀缺、昂贵金属的使用,因为它们的开采会带来高昂的环境和社会成本;另一个则是提高电池回收率,使废弃旧电池中的有价金属能有效回收再利用。虽然电池类型和数量会因车辆型号而异,但根据美国阿冈国家实验研究室(Argonne National Laboratory)的数据显示,一般来说一个汽车锂离子电池(通称NMC532)可能包含约8公斤的锂(lithium, Li)、35公斤的镍(nickel, Ni)、20公斤的锰(manganese, Mn)、14公斤的钴(Cobalt, Co)。

近年来因为开采技术越趋纯熟,再加上全球锂产量多,使得锂离子电池成本急剧下降。伦敦彭博新能源财经 (Bloomberg New Energy Finance, BNEF)预计至2023年,锂离子电池的成本将比现在下降约20%。然而,随着汽车电动化,锂产量势必要增加才能满足市场需求。 BNEF的分析师安波福(Kwasi Ampofo)也预估在未来10年间,锂的需求将增长7倍,将可能导致锂的暂时性短缺和价格波动。此外,由于目前锂矿开采需要大量能源将锂从岩石中提取出来,或从盐水中萃取出锂,因此增加锂矿开采也将带来更多的环境问题。

另外,研究人员也担心电动车电池中的主要成分镍和钴,除了稀少性外,还有重金属污染等问题。全球2/3的钴产自刚果民主共和国,但当地的开采环境不佳,由于钴是有毒的重金属,若处理不当,可能对童工和工人的健康产生危害。因此,为了解决原材料问题,许多实验室一直在尝试使用低钴或无钴的电池。德克萨斯大学奥斯汀分校(University of Texas in Austin)的材料科学家曼蒂拉姆(Arumugam Manthiram)表示,完全不使用钴会降低电池的能量,因为它会改变晶体结构及与锂结合的紧密程度。

镍虽然不如钴昂贵,但也不便宜。因此科学家也想减少镍的使用。美国劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory, LBNL)的材料科学家塞德(Gerbrand Ceder)表示,若要同时去除电池中的钴和镍,需要转换为完全不同的晶体结构,其中一种方法是采用立方晶体,且结构类似于氯化钠的无序岩盐(disordered rock salts)材料。

在提高电池回收率方面,现阶段除了稀有金属,开采一般金属的成本比回收得更低,因此如何吸引业者使用回收电池再行制造,也是电动车发展的关键。尽管欧盟委员会(The European Commission)已提出电池回收的口号,表示将从2023年开始逐步实施,且美国总统拜登(Joe Biden)也预计花费数十亿美元著手培育国内电动车电池制造业回收技术,但在各国回收技术尚未纯熟之下,如何降低成本使回收具竞争力仍是一大考验。

作者:是柚子呀,如若转载,请注明出处:https://eozlab.com/kejiqianyan/2440.html