锂离子电池长期可持续之路

2050到10亿辆车在路上将采用电,比2020年的72倍左右。电气化舰队可以看到高油耗的汽车,烟雾弥漫的城市和汽油的恶臭气体。这些车辆将采用锂离子充电电池。

但是锂离子电池有自己的可持续性问题。作为电动汽车的需求气球在未来几年,次生环境灾难可能是可能的,除非这些车辆中使用的电池可以在一个更可持续的方式,充分考虑生命周期。化学家是电池的正面和中心的故事,从早期作品分享了2019年诺贝尔化学奖的科学家们现在周围的世界试图改进使用的材料。

更好的电池需要使用更少的稀缺或有问题的矿物质,或者更好的是根本没有。和那些他们使用需要以可持续的方式采购。一个完整的生命周期的分析组件在一开始就需要考虑材料的开发,以确保电池在未来的供应,供应不破坏地球。

需要认真考虑的主要元素包括锂和钴。2021年5月,国际能源署(International Energy Agency)发表了一份报告呼吁各国政府现在思考的关键矿物质需要电动汽车和维持可再生能源在未来。他们强调矿产需求的大幅增加我们的汽油驱动汽车转移到电的——6倍所需的矿物质在电动汽车,和他们的人数大幅增加,不需要一个数学家工作,需要更多的原材料——足以提供每年180万吨,到2030年,根据一些估计。

更有道德锂

那些至关重要的材料之一,锂,并不是一个特别稀缺资源,美国地质调查局估计全球资源总量约8000万吨,不同来源的探讨,这一数字正在增加。但当提取锂就会有问题,目前有巨大的环境问题。根据美国地质调查局,5个在澳大利亚采矿作业和两个盐萃取操作在阿根廷和智利,以及一些生产在中国,几乎所有世界锂供应。开采锂在两个方面:它是由蒸发提取从巨大的盐滩在阿根廷和智利,这一过程使用庞大的大量的水,为当地的野生动物和人类有灾难性的后果。或者,可以作为矿物开采锂锂辉石(硅酸铝锂),因为它主要是在澳大利亚和中国。锂辉石需要处理在非常高的温度下,超过1000°C,使用大量的能源。然后用酸淋滤。

但可持续的锂生产是可能的——甚至在英国。康沃尔郡的康沃尔锂是利用矿业遗产和独特的地质变化锂生产。康沃尔郡位于花岗岩,尤其富含锂。和地下热卤水,含有大量。

康沃尔郡的锂有1公里深水井钻在一个旧矿区和正在测试泵的热卤水的可行性从地热水库首次发现锡矿工年前。当时,这些温泉最终迫使矿工们放弃他们的业务,但是现在遗留的地质数据证明在定位的地方会提供良好的访问富锂卤水。康沃尔的工厂使用直接提取锂锂(DLE)技术的热卤水锂。这些通常是离子交换树脂,像这样由我们启动淡紫色的解决方案在奥克兰,加利福尼亚州。DLE技术往往是专有的确切细节但淡紫色的使用稀盐酸形成氯化锂,然后可以使用电池。

这是比听起来要难。这些卤水像热汤老练的只有少许混合矿物。得到的锂盐需要选择性分离系统。在康沃尔郡的卤水,康沃尔郡的首席执行官杰里米•Wrathall锂说,在深层地热水域也探索他们周围260 ppm锂,钠6000 ppm, 2500 ppm钙和5 ppm镁盐。“你必须试着提取一个小针的一个非常大的干草堆,“康沃尔郡的首席执行官杰里米•Wrathall锂说。要做到这一点,他们流可通过半夜盒子,这是一个列吸附剂的珠子。一旦停止流动,珠子是然后用稀盐酸筛选了。lithium-free卤水终于抽回地下。

康沃尔郡的锂的迷你试验厂演示展示了其技术在七国集团(G7)峰会期间,在康沃尔今年6月举行。在现场,他们已经开始从他们的小钻孔抽水卤水,正在测试不同DLE方法。法国公司Geolith尝试在康沃尔DLE工具包。他们的系统有吸附剂粒子接枝纤维制成,虽然细节都保密,这些纤维制成非常锂离子的选择性。系统可通过运行后,纤维制成然后用酸清洗给集中锂氯化物。和卤水锂离子去除,然后注入地下。的氯化物生产也可以转化为锂碳酸盐或氢氧化物。

另一个公司,精密定期已经成立了一个钻井平台在康沃尔郡的锂。他们使用陶瓷nanobeads巨大的表面积。卤水是通过列满珠子,利用重力,和公司说,它通过吸附离子交换,而是只有锂离子坚持列和其余的盐水通过。盐酸是用来带锂的列。另一个公司,新西兰Geo40,提出使用巨大的坦克全部挑出锂离子选择性的吸附剂。

以及吸收热卤水,Wrathall的公司正在探索康沃尔郡的圣Austell外的废弃的粘土的坑。这些网站是云母矿物,可以提供一个丰富的锂供应。1987年,英国地质调查局发表了一份报告这强调了多少锂云母的坐在一个站点附近圣Austell——高达300万吨仅在地球的第一个100米。这是一个巨大的大事,一篇科学论文,被忽视,直到我们把它捡起来,“Wrathall说。这些网站包含锂云母的等级低于锂辉石,但Wrathall说,这不该是一个问题,因为该网站-一个古老的瓷土坑已经被开采。和Wrathall相信他们可以使用温和的化学提取锂。他们的目标是在9月开始工作在一个更大的试验工厂,将在2022年3月开始工作。

Wrathall康沃尔认为该项目是一个机会——一个英国最贫穷的角落——重新发现其经济财富从先前矿业全盛时期。锂电池可以用于未来的附近工厂,与汽车制造业也许也带来了。回收工厂可以建在。

这还不是全部,Wrathall说。这是最终的可持续锂因为它还可以提取零碳热,”他说。地热是力量,其中一些可以用来运行锂工厂,其余的可以用在其他地方,甚至在水培农业。

锂和康沃尔郡并不是唯一的地方可能会持续。一个项目在德国莱茵河流域,由火神能源资源,也在努力生产锂没有碳排放。他们的零碳锂试验工厂已操作,并将通知决定到2024年基金全面设施,项目的首席执行官弗朗西斯Wedin说。

火神的项目也使用地热能源,提取富锂卤水和使用得到锂在了氯化锂,然后转换为氢氧化。“欧洲,乃至世界,需要所有它能得到的锂,“Wedin说。目前锂产业的碳足迹是高得令人无法接受,现在大量的锂的需求增长得如此之快,我们看到我们的技术和项目是确保过渡到电动汽车的关键是零碳足迹”。

其他组件

上移动的锂电池,另一个严重问题的组件的诺贝尔奖获得者锂离子电池阴极。电池的阴极商业化索尼在1990年代,至今仍在广泛使用,锂钴氧化物。

目前原材料而言,真正的问题是钴和镍,这已经是一个严重的问题,”斯特凡诺Passerini说在德国卡尔斯鲁厄理工学院。和这两个金属钴是最成问题。钴储量主要是在刚果民主共和国(DRC)。刚果民主共和国的采矿作业是残酷的和被广泛谴责侵犯人权与钴矿业齐头并进。除了人力成本,这样一个狭窄的供应链可以使钴非常不可预测的和不稳定的成本。

镍锰钴材料(即nmc)正在寻找有前途的阴极材料。瑟瑞娜。柯尔谢菲尔德大学、英国、法拉第研究所Futurecat财团。她解释了为什么提高镍含量是有益的:“当你增加镍含量,提高能量密度,并推高的能力,”她说。缺点是它的综合这些材料非常具有挑战性。”,是由于镍的氧化还原化学。得到正确的氧化态镍可以非常具有挑战性,”Corr说。她的小组是利用微波化学试图使这些高镍尖晶石结构。

但镍只是一个短期的修复。最终钴和镍需要更换。Catmat,另一个cathode-focused法拉第研究所项目是由赛弗伊斯兰教大学的浴。NMC在短期内可能会主导的电动汽车,“伊斯兰教说。但他很乐观,最终钴和镍-都可以完全取代。例如,我们看着锰和铁基阴极材料、锰和铁更可持续、更自然丰富。”

其他福利将有机会出现在新材料。这是知道的一个主要障碍更大的能量密度的锂离子电池,电动汽车,是阴极的能量密度,“伊斯兰教说。

伊斯兰教和他的同事们正在远离传统的分层材料用于锂离子电池向无序结构,含有钴和镍。“他们根据岩盐结构。每个人都很熟悉,”他解释说。结构无序,这样每一个阳离子网站锂和锰的混合物,和每一个阴离子的网站都有氧气和氟。即使他们是无序的,这些manganese-based结构有很高的能量密度,更好的是他们没有钴或镍。在最新的研究中,伊斯兰教的小组使用x光吸收光谱和散射技术,结合计算机模拟,找出是什么特别的东西对这些岩石锰盐的氧化还原反应在一个让它这么好的阴极材料。无序结构致力于陷阱李由分子氧₂MnO₂F,使材料表现得更像一个固态电极。锰和氧气氧化还原夫妇也能够在较低工作电压比传统层状氧化物。

的一个主要障碍更大的能量密度的锂离子电池的能量密度是阴极

一样重要的阴极的研究将在未来电池,电池的其他部分也可以改进。

Passerini 50岁以上的有一个研究小组的科学家和他们正在考虑电池的所有部分。特别是他感兴趣的绑定,将电极在电池和连接电流收集器。目前使用的聚合物作为绑定需要处理使用有机溶剂,通常含有氟,使他们严厉的处理,难以回收或处置善意。通过替换这些绑定与水系统相反,Passerini和其他人希望克服环境头痛与此相关电池制造的鲜为人知的方面。

Passerini也使电解质添加剂通过设计更好地帮助稳定工作电解液,防止它与高压锂离子电池的阴极反应太多,特别是NMC-type电池。Passerini的团队最近提出了一个结合电解液添加剂共同稳定电池并使它表现得更好。

这个新的电解质的另一个优点是它可以回收。LiPF常用电解质盐₆与水反应生成高频,因此它不能被回收容易。所以使用锂离子电池最终被焚烧处理,Passerini解释道。

在锂离子

展望未来,所向无敌的锂离子可充电电池可以被新的取代,虽然相关,技术?当前潜在的竞争者包括固态锂电池,锂空气电池,甚至取代锂钠或其他金属。

我看到汽车制造商至少听——几年前他们根本不在乎

但即使调整组件和可持续的锂,电池有一个态度的转变需要如果可持续的生产都是现实。使电池可持续的最好方法是设计一个细胞能够很容易回收,“Passerini说。这将是一个漫长的过程,因为每个单独的可持续性赢,找到一种新材料在电池的一部分通常配有一个回报沿着电池的过程。例如,电解质可以很容易回收,但当放置在一个完整的细胞可以腐蚀铝电流收集器。技术将意味着所有这些问题都可以解决,Passerini说,但这需要时间,可能意味着电池更加昂贵。

在康沃尔,Wrathall希望回收合并到未来锂电池工厂。这是绝对必要的,我们现在开始考虑回收利用,”他说。但电池回收是非常困难,因为有些人说它就像试图把面粉面包。”

Passerini预计只会变得更可持续的电池制造商别无选择时广泛使用的使用它们。立法的推动力量,最终使电池可持续。2020年12月,欧盟委员会(European Commission)宣布计划的开始。

汽车制造商将不得不入伙。好消息是,看起来这是可能的。“我看到汽车制造商至少听——几年前他们不在乎,“Passerini说。

凯瑟琳•桑德森是一个基于自由记者的康沃尔郡,英国