Davide Castelvecchi在科学期刊《自然》发表文章，剖析了生产电动汽车电池目前遇到的难题和解决办法，总的来说，减少稀有金属的使用，并对它们进行回收，将是世界向电动汽车过渡的关键。

电动汽车的时代正在到来，今年年初，美国汽车巨头通用汽车公司宣布，它的目标是到2035年停止销售以汽油为动力的车型和柴油车型，位于德国的奥迪公司也计划到2033年停止生产此类车辆，许多其他汽车跨国公司也发布了类似的声明。突然间，主要汽车制造商在电气化方面从拖延变成了急于推出的态度。

个人交通工具的电气化正在加速，即使是最热心的支持者在几年前也不可能想到这一点，在许多国家，政府的授权正在加速变革，但即使没有新的政策或法规，根据伦敦BloombergNEF（BNEF）咨询公司的数据，2035年全球乘用车销售将有一半是电动汽车。

国际能源署（IEA）在5月宣布，这种大规模的工业转换标志着“从燃料密集型向材料密集型能源系统的转变”。在未来的几十年里，数以亿计的车辆将在道路上行驶，车上装有巨大的电池（参见“向电动汽车转变”）。而这些汽车使用的电池每一个都将包含了几十公斤的材料，这些材料还没有被开采出来。

面对一个即将由电动汽车主导的世界，材料科学家们正在努力应对两个巨大的挑战。

一个是如何减少电池中稀缺的、昂贵的或有麻烦的金属，因为这些麻烦的金属在开采过程中会带来巨大的环境和社会成本。

另一个是改善电池的回收，以便废旧汽车电池中有价值的金属能够被有效地再利用。采矿工程师柯西·安波福是BNEF金属和采矿业的首席分析师，他说：“回收将在这个组合中发挥关键作用。”

电池制造商和汽车制造商已经花费了数十亿美元来降低电动汽车（EV）电池的制造和回收成本，部分原因是受政府激励措施和即将出台的法规的刺激。国家研究资助者也成立了一些机构，研究制造和回收电池更好的方法。因为在大多数情况下，开采金属的成本仍然低于回收金属的成本，所以一个关键的目标是开发工艺，以足够便宜的价格回收有价值的金属，与新开采的金属竞争。

伊利诺伊州莱蒙市阿贡国家实验室的化学工程师杰弗里·斯潘根伯格管理着一个由美国联邦政府资助的锂离子电池回收计划，名为ReCell，他说：“最大的问题是钱。”

锂的未来

研究人员面临的第一个挑战是减少电动车电池需要开采的金属数量。根据阿贡国家实验室的数据，所需的金属数量因电池类型和车辆型号而异，但一个汽车锂离子电池组（被称为NMC532的类型）大致包含约8公斤的锂，35公斤的镍，20公斤的锰和14公斤的钴。

分析家们预计，短期内锂离子电池不会被替换：它们的成本已经急剧下降，在可预见的未来，它们可能会成为主导技术。它们现在比20世纪90年代初作为小型便携式电池首次进入市场时便宜了30倍，并且性能提高了。

BNEF预计，到2023年，锂离子电动车电池组的成本将降至每千瓦时100美元以下，比现在低约20%（见“电池成本急剧下降”）。因此，电动汽车仍然会比传统汽车昂贵，价格应该在2020年代中期达到价格平价（平价即商品供求大体平衡时的商品价格）。据估计，由于较低的电力和维护成本，电动汽车在整个生命周期内已经比汽油车便宜。

为了发电，锂离子电池在内部将锂离子从一层（称为阳极）输送到另一层（阴极），两者被电解质分离，阴极是限制电池性能的主要因素，也是最有价值的金属所在。

典型锂离子电池的阴极是一层薄薄的含有极微小晶体的胶，其结构通常与自然存在于地壳或地幔中的矿物相似，如橄榄石或尖晶石。晶体将带负电的氧气与带正电的锂和其他各种金属配对，在大多数电动汽车中，是镍、锰和钴的混合物。给电池充电时，锂离子会从这些氧化物晶体中分离出来，并将离子拉到以石墨为基础的阳极上，夹在碳原子层之间储存起来（参见“电心”）。

锂本身并不稀缺。BNEF在6月的一份报告中估计，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，足以支撑到本世纪中叶向电动汽车的转换。储量并且是固定的，因为它们代表了在当前的价格、技术和监管要求下可以经济提取的资源数量。对于大多数材料，如果需求上升，储量最终也会上升。

采矿工程师安波福说，随着汽车的电气化，挑战在于如何扩大锂的生产规模来满足需求。他表示，在2020年和2030年之间，锂的需求将增长约七倍。

他说，这可能会导致暂时的短缺和巨大的价格波动。但从长期来看，市场的小插曲不会改变整体情况。加利福尼亚州帕洛阿尔托市电力研究所的储能专家哈雷什·卡马斯说：“随着开采能力的扩大，这些短缺会得到自行解决。”

锂矿开采的增加带来了自身的环境问题：目前的提取方式需要大量的能源（从岩石中提取）或水（从盐水中提取）。但是，更先进的技术，即从地热水中提取锂，是利用地热能来驱动这一过程，被认为是比较温和的，尽管也会有一定的环境损失，但是开采锂有助于取代破坏性的化石燃料的开采。

研究人员更担心的是钴，它是目前电动车电池中最有价值的成分，全球供应量的三分之二是在刚果民主共和国开采的，人权活动家对那里的条件表示担忧，特别是童工和对工人健康的伤害。

和其他重金属一样，如果处理不当，钴是有毒的。我们可以考虑开发其他资源，如在海底发现的富含金属的“颗粒”，但它们也会带来环境危害。而镍，电动车电池的另一个主要成分，也可能面临短缺。

剔除贵金属材料

为了解决原材料的问题，一些实验室已经在试验低钴或无钴阴极。但是阴极材料必须精心设计，这样即使超过一半的锂离子在充电过程中被移除，它们的晶体结构不会破裂。

奥斯汀德克萨斯大学的材料科学家阿鲁甘·曼蒂拉姆说，完全放弃钴往往会降低电池的能量密度，因为它改变了阴极的晶体结构以及它与锂结合的紧密程度。

曼蒂拉姆是（目前在实验室环境中）研究解决这一问题的人员之一，他表明，从阴极中消除钴而不影响性能是可以实现的。曼蒂拉姆说：“我们报告的无钴材料具有与氧化钴锂相同的晶体结构，因此具有相同的能量密度，甚至更好。”他的团队通过对生产阴极的方式进行微调，并加入少量的其他金属，同时保留了阴极的氧化钴晶体结构。

曼蒂拉姆说，在现有的工厂中采用这种工艺应该是很简单的，他已经成立了一家名为TexPower的创业公司，试图在未来两年内将这种技术推向市场。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车制造商特斯拉，它说它计划在未来几年内从其电池中消除这种金属。

韩国首尔汉阳大学的孙杨国（Sun Yang-Kook，音译）是另一位研究这一领域的材料科学家，他在无钴阴极中取得了类似的性能。孙杨国说，在创造新的阴极时可能仍然存在一些技术问题，因为这个过程依赖对富镍矿石的提炼，这可能需要昂贵的纯氧气氛。

许多研究人员现在认为钴的问题基本上已经解决了。加拿大哈利法克斯达尔豪斯大学的化学家杰夫·达恩说：“曼蒂拉姆和孙杨国已经证明，你可以制造出非常好的无钴材料，而且性能非常好。”

镍，尽管不像钴那么昂贵，但也不便宜。研究人员也想去除它。加州伯克利劳伦斯伯克利国家实验室的材料科学家格布兰德·塞德说：“我们已经解决了钴的匮乏问题，现在我们直奔镍的问题而去，但是要同时消除钴和镍，就需要改用完全不同的晶体结构作为阴极材料。”

一种方法是采用称为无序岩盐的材料。它们的名字来自于它们的立方体晶体结构，它与氯化钠的结构相似，氧气扮演了氯的角色，而重金属的混合取代了钠。在过去的十年中，塞德团队和其他小组已经表明，某些富含锂的岩盐允许锂轻松地进出——这是实现反复充电的关键特性。

但是，与传统的正极材料不同，无序岩盐不需要钴或镍来在该过程中保持稳定。塞德说，最关键的一点是，它们可以用锰来制造，而锰是廉价且丰富的。

更好地回收利用

如果制造无钴电池，研究人员还要面临一个料想之外的后果。钴是回收电池的主要价值，因为其他材料，特别是锂，目前的开采成本比回收成本更低。

在一个典型的回收工厂里，电池首先被切碎，将电池变成所有使用材料的粉末状混合物。然后，通过在冶炼厂液化（火法冶金），或者在酸中溶解（湿法冶金），这种混合物被分解成元素成分，最后，金属作为盐类从溶液中沉淀出来。

研究工作的重点是改进工艺，使回收的锂在经济上更具有吸引力。绝大多数的锂离子电池是在中国、日本和韩国生产的；因此，回收能力在那里增长得最快。例如，广东佛山的邦普集团（Brunp）是中国最大的锂离子电池制造商宁德时代（CATL）的子公司，据一位发言人说，每年可以回收12万吨电池。这相当于20多万辆汽车的用量，而且这家公司能够回收大部分的锂、钴和镍。政府政策正在帮助鼓励这种做法，伦敦咨询公司Circular Energy Storage的总经理汉斯·埃里克·梅林说，中国已经为那些从回收公司采购材料而不是进口新开采材料的电池公司提供了财政和监管激励。

欧盟委员会已经提出了严格的电池回收要求，从2023年开始逐步实施，尽管欧盟发展国内回收行业的前景并不明朗。与此同时，美国拜登总统的政府希望花费数十亿美元来促进国内电动车电池制造行业，并支持回收，但除了将电池列为必须安全处置的危险废物的现有立法外，还没有提出其他法规。一些北美的初创公司表示，他们已经可以回收电池中的大部分金属，包括锂，其成本与采矿的成本相比具有竞争力，尽管分析家们说，在这个阶段，总体经济效益优势是因为对钴的回收。

一个更激进的方法是重新使用阴极晶体，而不是像水力冶金和高温冶金那样分解它们的结构。ReCell是由斯潘根伯格管理的价值1500万美元的合作项目，包括三个国家实验室、三所大学和许多工业参与者。

这个项目致力于开发技术，使回收商能够提取阴极晶体并将其转售。在电池被切碎后，一个关键步骤是利用加热、化学或其他方法将阴极材料与其他材料分开。

阿贡的物理化学家和ReCell的主要分析员琳达·盖恩斯说：“我们如此热衷于保留晶体结构的原因是，把它放在一起需要大量的精力和技术，这就是价值所在。”

盖恩斯说，这些再加工技术适用于一系列的晶体结构和成分。但是，如果一个回收中心收到的废物流包括多种类型的电池，各种类型的阴极材料最终都会进入回收大锅。分离不同阴极晶体类型会使工作变得更复杂。

尽管ReCell开发的工艺可以很容易地从其他类型的电池中分离出镍、锰和钴，例如那些使用磷酸铁锂的电池，但它们将很难分离出都含有钴和镍，但比例不同的两种电池。斯潘根伯格说，由于这个原因和其他原因，电池生产必须有某种标准，告诉回收者里面的成分是什么。

另一个潜在的障碍是，阴极的化学成分在不断演变。制造商在10-15年后，即现在的汽车生命周期结束时，使用的阴极很可能与今天的阴极不同。最有效的方法可能是制造商在生命周期结束时收集自己生产的电池，将材料拿出来。盖恩斯补充说，电池应该从头开始设计，使它们更容易被拆分。

英国莱斯特大学的材料科学家安德鲁·阿伯特认为，如果跳过粉碎阶段，直接拆解电池，回收的利润会更大。他和他的合作者已经开发了一种使用超声波分离阴极材料的技术。这种方法对平放而不是卷起的电池单元效果最好（不是像普通的“圆柱形”那样卷起来的电池），而且，阿伯特补充说，这可以使回收材料比原始开采便宜很多。他参与了英国政府一项价值1400万英镑（1900万美元）的电池可持续性研究计划，名为ReLiB。

提高产量

无论使用哪种回收工艺作为标准，扩大规模都会有帮助。伦敦咨询公司Circular Energy Storage的总经理梅林说，尽管媒体报道倾向于将即将到来的废电池潮描述为迫在眉睫的危机，但分析家们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达到寿命的终点，规模经济将启动，并使回收更加有效，它们的利润也更有吸引力。

分析家们说，铅酸电池（启动汽油动力汽车的电池）的例子让人们有理由保持乐观。由于铅是有毒的，这些电池被列为危险废物，必须被安全处理。但是，尽管铅很便宜，一个高效的回收行业已经发展起来。加利福尼亚州帕洛阿尔托市电力研究所的储能专家卡马斯说：“超过98%的铅酸电池被回收和循环利用。”梅林表示，铅酸电池的价值比锂离子电池还要低，但由于数量的关系，回收还是有利润的。

卡马斯说，锂离子电池市场的完全成熟可能还需要一段时间，部分原因是这些电池已经变得非常耐用：目前的汽车电池可能持续20年。梅林表示，在今天销售的电动汽车中，电池组的寿命将超过汽车的寿命。

这意味着，当旧电动车被送去报废时，电池通常既不会被扔掉，也不会被回收。相反，它们被取出并重新用于需求较少的应用，如固定的能源储存或为船只提供动力。经过十年的使用，像日产Leaf（一款5座掀背两厢纯电动汽车）这样的汽车电池，最初的容量有50千瓦时，汽车报废时电池最多损失20%的容量。

国际能源署5月份的另一份报告，包括一份在本世纪中叶实现全球净零排放的计划图，其中电动交通工具作为这项计划的基石。国际能源署一项以谨慎的预测而著称，对这一目标可以实现的信心反映了政策制定者、研究人员和制造商之间越来越多的共识，即汽车电气化的挑战现在完全可以解决的，如果我们希望将气候变化维持在可控水平上，就不能再浪费时间了。

但是一些研究人员抱怨说，就电池对环境的影响而言，电动汽车似乎被要求达到一个不可能的标准。加利福尼亚州帕洛阿尔托市电力研究所的储能专家卡马斯说：“如果坚持要求一个完美的解决方案而放弃一个比较好的解决方案，那是不对的，也是适得其反的，当然，这并不意味着我们不应该在电池处理问题上积极努力。”