如何减少稀有金属的使用是世界向电动车过渡的关键

电动汽车的时代已经来临。今年早些时候，美国汽车巨头通用汽车宣布其目标是到2035年停止销售汽油和柴油车型。总部位于德国的奥迪计划到2033年停止生产此类汽车。许多其他汽车跨国公司也发布了类似的路线图.突然间，主要汽车制造商对车队电气化的拖延变成了急于退出的冲动。

个人出行的电气化正在以一种即使是最热心的支持者在几年前也做梦也想不到的方式加速。在许多国家，政府的命令将加速变革。但据伦敦彭博新能源财经(BNEF)咨询公司称，即使没有新的政策或法规，2035年全球乘用车销量的一半仍将是电动汽车。

国际能源署(IEA)于5月1日宣布，这种大规模的工业转型标志着“从燃料密集型能源系统向材料密集型能源系统的转变”。未来几十年，将有数亿辆汽车上路，车内装有大量电池（参见“电动化”）。每个电池都将包含数十公斤尚未开采的材料。

预计世界将由电动汽车主导，材料科学家正在应对两大挑战。一是如何减少稀缺、昂贵或有问题的电池中的金属，因为它们的开采会带来严酷的环境和社会成本。另一个是提高电池回收率，使废旧汽车电池中的有价金属得到有效再利用。“回收将在混合中发挥关键作用，”BNEF金属和采矿首席分析师、采矿工程师KwasiAmpofo说。

电池制造商和汽车制造商已经在降低制造和回收电动汽车(EV)电池的成本上花费了数十亿美元——部分原因是政府的激励措施和即将出台的法规的预期。国家研究资助者还成立了中心来研究制造和回收电池的更好方法。因为在大多数情况下，开采金属比回收它们更便宜，一个关键目标是开发工艺以足够便宜的方式回收有价值的金属，以与新开采的金属竞争。“最大的话题是金钱，”伊利诺伊州莱蒙特阿贡国家实验室的化学工程师杰弗里斯潘伯格说，他负责管理一项美国联邦政府资助的锂离子电池回收计划，称为ReCell。

锂未来

研究人员面临的第一个挑战是减少电动汽车电池需要开采的金属量。数量因电池类型和车辆型号而异，但单个汽车锂离子电池组（称为NMC532类型）可能包含约8公斤锂、35公斤镍、20公斤锰和14公斤根据阿贡国家实验室的数据，钴。

分析师预计不会很快放弃锂离子电池：它们的成本急剧下降，以至于在可预见的未来，它们很可能成为主导技术。它们现在比1990年代初作为小型便携式电池首次进入市场时便宜30倍，即使它们的性能有所提高。BNEF预计，到2023年，锂离子EV电池组的成本将降至每千瓦时100美元以下，或比现在低约20%（参见“电池成本暴跌”）。因此，电动汽车——仍然比传统汽车贵——应该会在2020年代中期达到平价。（据估计，电动汽车在其生命周期内已经比汽油车便宜，这要归功于动力和维护成本更低。）

为了发电，锂离子电池将锂离子从一层（称为阳极）内部穿梭到另一层（阴极）。两者被另一层电解质隔开。阴极是电池性能的主要限制因素——它们是最有价值的金属所在。

典型的锂离子电池的阴极是一层薄薄的粘稠物，其中含有微尺度晶体，其结构通常与地壳或地幔中天然存在的矿物（如橄榄石或尖晶石）相似。晶体将带负电的氧与带正电的锂和各种其他金属配对——在大多数电动汽车中，镍、锰和钴的混合物。给电池充电可将锂离子从这些氧化物晶体中剥离出来，并将离子拉到石墨基阳极上，它们被夹在碳原子层之间存储（参见“电心”）。

锂本身并不稀缺。BNEF26月的一份报告估计，根据美国地质调查局的数据，目前这种金属的储量为2100万吨，足以将电动汽车的转换持续到本世纪中叶。储量是一个可延展的概念，因为它们代表了在当前价格和当前技术和监管要求下可以经济地开采的资源量。对于大多数材料，如果需求增加，储备最终也会增加。

Ampofo表示，随着汽车电气化，挑战在于扩大锂产量以满足需求。“从2020年到2030年，它将增长约7倍。”

他说，这可能会导致暂时的短缺和价格的剧烈波动。但从长远来看，市场打嗝不会改变局面。“随着更多处理能力的建设，这些短缺可能会自行解决，”加利福尼亚州帕洛阿尔托电力研究所的储能专家HareshKamath说。

玻利维亚波托西乌尤尼盐沼锂生产设施中的盐矿

锂矿开采的增加带来了其自身的环境问题：当前的开采形式需要大量的能源（从岩石中提取锂）或水（从盐水中提取）。但从地热水中提取锂的更现代的技术，使用地热能来推动这一过程，被认为更加温和。尽管造成了这种环境损失，但开采锂将有助于取代破坏性的化石燃料开采。

研究人员更担心钴，它是当前电动汽车电池中最有价值的成分。全球三分之二的供应在刚果民主共和国开采。人权活动家对那里的条件表示担忧，特别是对童工和对工人健康的危害；与其他重金属一样，如果处理不当，钴是有毒的。可以利用其他来源，例如在海底发现的富含金属的“结核”，但它们本身就存在环境危害。电动汽车电池的另一个主要成分镍也可能面临短缺3。

管理金属

为了解决原材料问题，许多实验室一直在试验低钴或无钴阴极。但正极材料必须精心设计，使其晶体结构不会破裂，即使在充电过程中去除了一半以上的锂离子。德克萨斯大学奥斯汀分校的材料科学家ArumugamManthiram说，完全放弃钴通常会降低电池的能量密度，因为它会改变阴极的晶体结构以及它与锂结合的紧密程度。

Manthiram是解决该问题的研究人员之一——至少在实验室中——通过证明可以从阴极中去除钴而不影响性能4.“我们报道的无钴材料与锂钴氧化物具有相同的晶体结构，因此具有相同的能量密度，”甚至更好，Manthiram说。他的团队通过微调阴极的生产方式并添加少量其他金属来做到这一点，同时保留阴极的氧化钴晶体结构。

Manthiram表示，在现有工厂中采用这种工艺应该很简单，并成立了一家名为TexPower的初创公司，试图在未来两年内将其推向市场。世界各地的其他实验室正在研究无钴电池：特别是位于加利福尼亚州帕洛阿尔托的先锋电动汽车制造商特斯拉表示，它计划在未来几年内从电池中消除这种金属。

韩国首尔汉阳大学的SunYang-Kook是另一位在无钴阴极方面取得类似性能的材料科学家。Sun表示，在制造新阴极时可能仍存在一些技术问题，因为该过程依赖于精炼富镍矿石，而这可能需要昂贵的纯氧气氛。但现在许多研究人员认为钴问题已基本解决。加拿大哈利法克斯达尔豪斯大学的化学家杰夫·达恩(JeffDahn)表示，Manthiram和Sun“已经表明，你可以在没有钴的情况下制造出非常好的材料，而且性能非常好”。

镍虽然不如钴贵，但也不便宜。研究人员也想删除它。“我们已经解决了钴稀缺的问题，但由于我们的规模增长如此之快，我们正直奔镍问题，”加利福尼亚州伯克利劳伦斯伯克利国家实验室的材料科学家GerbrandCeder说。但同时去除钴和镍将需要转换为阴极材料完全不同的晶体结构。

一种方法是采用称为无序岩盐的材料。它们得名是因为它们的立方晶体结构类似于氯化钠，其中氧气扮演氯的角色，而重金属的混合物代替钠。在过去十年中，Ceder的团队和其他团队已经证明，某些富含锂的岩盐可以让锂轻松地滑入和滑出——这是实现重复充电的关键特性5。但是，与传统的阴极材料不同，无序岩盐在该过程中不需要钴或镍来保持稳定。Ceder说，特别是它们可以用锰制造，锰既便宜又丰富。

更好地回收利用

如果电池不含钴，研究人员将面临意想不到的后果。金属是使回收电池经济的主要因素，因为其他材料，尤其是锂，目前开采成本低于回收成本。

在典型的回收工厂中，电池首先被切碎，这会将电池变成所有使用材料的粉末混合物。然后，通过在冶炼厂中将其液化（火法冶金）或将其溶解在酸中（湿法冶金），该混合物被分解为其元素成分。最后，金属以盐的形式从溶液中沉淀出来。

一台机械粉碎机正在粉碎电池模块，如图所示在德国Duesenfeld回收厂

研究工作的重点是改进工艺，使回收的锂具有经济吸引力。绝大多数锂离子电池产自中国、日本和韩国；因此，回收能力在那里增长最快。例如，据一位发言人称，中国最大的锂离子电池制造商宁德时代旗下的子公司广东邦普每年可以回收12万吨电池。这相当于200,000多辆汽车的用量，该公司能够回收大部分锂、钴和镍。政府政策正在帮助鼓励这一点：汉斯·埃里克·梅林(HansEricMelin)表示，中国已经为从回收公司采购材料而不是进口新开采的材料的电池公司提供了财政和监管激励措施，

欧盟委员会提出了严格的电池回收要求，该要求可能会从2023年开始逐步实施——尽管该集团发展国内回收行业的前景尚不确定6。与此同时，美国总统乔·拜登(JoeBiden)的政府希望花费数十亿美元来培育国内电动汽车电池制造行业并支持回收利用，但尚未提出超出现有立法的法规，将电池归类为必须安全处置的危险废物.一些北美初创公司表示，他们已经可以以与开采这些金属的成本具有竞争力的成本回收大部分电池金属，包括锂，尽管分析人士表示，在现阶段，整体经济优势只是因为钴。

在加拿大安大略省金斯敦的Li-Cycle电池回收设施中，从极板上清除磨碎的电池粉末或“黑色物质”

更激进的方法是重新使用阴极晶体，而不是像水法和火法冶金那样分解它们的结构。ReCell是由Spangenberger管理的1500万美元的合作项目，包括三个国家实验室、三所大学和众多行业参与者。它正在开发技术，使回收商能够提取阴极晶体并将其转售。

电池粉碎后的一个关键步骤是使用热量、化学物质或其他方法将阴极材料与其他材料分离。“我们如此热衷于保留晶体结构的原因是将它们组合在一起需要大量的精力和专业知识。这就是很多价值所在，”阿贡物理化学家、ReCell首席分析师LindaGaines说。

盖恩斯说，这些再处理技术适用于一系列晶体结构和成分。但是，如果回收中心收到包含多种类型电池的废物流，则各种类型的阴极材料最终都会进入回收大锅。这可能会使分离不同阴极晶体类型的工作复杂化。尽管ReCell开发的工艺可以轻松地将镍、锰和钴与其他类型的电池（例如使用磷酸铁锂的电池）分离，但他们将很难分离两种同时含有钴和镍的电池，但在不同的比例。Spangenberger说，出于这个原因和其他原因，电池必须带有某种标准化的条形码，告诉回收商里面有什么。

另一个潜在的障碍是阴极的化学性质在不断发展。制造商将在10到15年后使用的阴极——在当今汽车的生命周期结束时——很可能与今天的不同。取出材料的最有效方法可能是制造商在生命周期结束时收集自己的电池。盖恩斯补充说，电池应该从头开始设计，使它们更容易拆卸。

英国莱斯特大学的材料科学家AndrewAbbott认为，如果它跳过粉碎阶段并直接将细胞分开，回收将更有利可图。他和他的合作者开发了一种使用超声波7分离阴极材料的技术。这在扁平包装而不是卷起的电池中效果最好（就像常见的“圆柱形”电池一样），而且，雅培补充说，可以使回收材料比原始开采的金属便宜得多。他参与了一项耗资1400万英镑（1900万美元）的英国政府电池可持续性研究计划，称为ReLiB。

调高音量

无论哪种回收过程成为标准，规模都会有所帮助。梅林说，尽管媒体报道倾向于将即将到来的废电池泛滥描述为迫在眉睫的危机，但分析师认为这是一个巨大的机会。一旦数以百万计的大型电池开始报废，规模经济就会发挥作用，并使回收效率更高——而且其商业案例也更具吸引力。

分析人士说，铅酸电池的例子——启动汽油动力汽车的电池——让人有理由感到乐观。由于铅有毒，这些电池被归类为危险废物，必须安全处置。但是，尽管铅很便宜，但已经发展了一个高效的行业来回收它们。“超过98%的铅酸电池被回收和再循环，”Kamath说。“铅酸电池的价值甚至低于锂离子电池。但由于数量庞大，无论如何回收都是有意义的，”梅林说。

Kamath说，锂离子电池市场可能需要一段时间才能达到最大规模，部分原因是这些电池变得非常耐用：目前的汽车电池可能会使用20年。梅林说，在今天销售的典型电动汽车中，电池组的使用寿命将比其内置的车辆寿命更长。

这意味着当旧电动汽车报废时，电池通常既不会被扔掉，也不会被回收利用。取而代之的是，它们被取出并重新用于要求不高的应用，例如固定式储能或为船只提供动力。使用十年后，像日产聆风这样原本容量为50千瓦时的汽车电池，最多会损失20%的容量。

国际能源署(IEA)的另一份5月报告包括一份路线图8，以在本世纪中叶之前实现全球净零排放，其中包括将转换为电动交通作为基石。相信这是可以实现的，这反映了政策制定者、研究人员和制造商之间越来越多的共识，即电动汽车面临的挑战现在完全可以解决——如果我们希望将气候变化控制在可控水平，就没有时间可以浪费了.

但一些研究人员抱怨说，电动汽车在电池对环境的影响方面似乎达到了一个不可能的标准。“通过坚持完美的解决方案而放弃一个好的解决方案将是不幸的和适得其反的，”卡马斯说。“当然，这并不意味着我们不应该积极处理电池处理问题。”