Nature：锂足够用，但“钴奶奶”惹不起！

电动汽车的时代即将来临。今年早些时候，美国汽车巨头通用汽车宣布，其目标是到2035年停止销售汽油动力和柴油车型。总部位于德国的奥迪也计划到2033年停止生产这类汽车。许多其他汽车跨国公司也发布了类似的路线图。根据伦敦的BloombergNEF (BNEF)咨询公司的数据，即使没有新的政策或法规，2035年全球乘用车销量的一半也将是电动汽车。

国际能源署(IEA)在5月份宣称，这种大规模的工业转换标志着“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，成千上万的车辆将上路，车内都装有大量电池。这些电池中的每一个都含有数十公斤尚未开采的材料。

可预见的是一个由电动汽车主导的世界即将到来，材料科学家正致力于两大挑战。一个是如何减少电池中稀有、昂贵金属的使用，因为它们的开采会带来严重的环境和社会成本。另一个是改善电池回收，这样废旧汽车电池中有价值的金属可以被有效地再利用。大多数情况下，开采金属的成本仍然低于回收金属的成本，所以一个关键目标是开发回收有价值金属的低成本工艺。



锂的未来

研究人员面临的第一个挑战是如何减少电动汽车电池需要开采的金属量。根据阿贡国家实验室的数据，一个汽车锂离子电池组(一种被称为NMC532的电池)可能含有约8千克锂、35千克镍、20千克锰和14千克钴（因不同车型而异）。

锂本身并不稀缺。根据美国地质调查局的数据，英国国家能源基金会6月份的一份报告估计目前的锂金属储量为2100万吨，这足以供电动汽车使用到本世纪中叶。

随着汽车电气化，主要的挑战是要扩大锂产量以满足需求。从2020年到2030年，锂产量将增长大约7倍。这可能会导致暂时的短缺和剧烈的价格波动。但长期而言，市场波动不会改变局面。随着更多处理工艺的建立，这些短缺可能会自行解决。

锂矿开采量的增加有其自身的环境问题：目前的开采方式需要大量的能量(用于从岩石中提取锂)或水(用于从卤水中提取锂)。从地热水中提锂将成为一种新的方式。尽管这些对环境造成了损害，但开采锂将有助于减少化石燃料的开采。

其实，研究人员更担心钴，这是目前电动汽车电池中最有价值的成分。全球供应量的三分之二在刚果民主共和国开采。电动汽车电池的另一个主要成分镍也可能面临短缺。

管理金属

为了解决原材料问题，许多实验室一直在致力于开发低钴或无钴正极。但是正极材料必须经过精心设计，即使充电过程中失去一半以上的锂离子，材料晶体结构也不能破坏。得克萨斯大学的材料科学家Arumugam Manthiram说大众的观点是完全放弃钴通常会降低电池的能量密度。但他证明了这一观点并非完全正确：钴可以从正极中去除而不影响性能，至少在实验室里是这样。

“我们报道的无钴材料具有与锂钴氧化物相同的晶体结构，因此具有相同或者更高的能量密度”，Manthiram说。他的团队通过微调正极的合成方式和添加少量其他金属做到了这一点，同时保留正极的氧化钴晶体结构。Manthiram表示，在现有工厂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无钴材料推向市场。世界各地的其他实验室也在研究无钴电池，尤其是特斯拉，其表示计划将在未来几年内从电池中去除这种金属。

韩国首尔汉阳大学的Sun Yang-Kook是另一位在无钴正极方面取得类似成就的材料科学家。他说，在制造正极材料的过程中，一些技术问题可能仍然存在，因为这一过程依赖于提炼富镍矿石，这可能需要昂贵的纯氧气氛。但是许多研究人员现在认为钴的问题已经基本解决了。加拿大哈利法克斯达尔豪西大学的化学家Jeff Dahn说，Manthiram和Sun已经证明不用钴也能制造出非常好的材料，而且性能也非常好。

更好地回收

金属是使回收电池有经济价值的主要因素，因为其他材料，尤其是锂，目前开采比回收更便宜。

电池回收工厂常采用的回收方法是，首先将电池粉碎，然后在熔炉中液化(火法冶金)或在酸中溶解(湿法冶金)。最后，将金属以盐的形式从溶液中沉淀出来。

目前研究工作主要集中在改进工艺，使回收锂具有经济吸引力。例如，总部位于佛山的邦普公司-中国最大的锂离子电池制造商CATL的子公司，每年可以回收12万吨电池。这相当于20多万辆汽车使用的数量，该公司能够回收大部分锂、钴和镍。

还有一种更激进的方法是重复使用正极材料，而不是像湿法冶金和火法冶金那样破坏其结构。

扩大规模

无论哪种回收工艺成为标准，规模经济都将发挥作用。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，但分析人员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使用寿命结束，规模经济将发挥作用，并使得回收利用更加高效，其商业案例也更具吸引力。

分析人士表示，铅酸电池的例子让人们有理由感到乐观。由于铅有毒，这些电池被归类为危险废物，必须安全处置。尽管铅很便宜，但是也已经有高效的工业已经发展起来来回收它们，超过98%的铅酸电池被回收和循环利用。

参考文献：

https://www.nature.com/articles/d41586-021-02222-1