通向可持续锂离子电池的漫漫长路

到2050年，道路上行驶的汽车将达到10亿辆，是2020年的72倍左右。电动汽车将告别耗油量大的汽车、烟雾弥漫的城市和恶臭的汽油烟雾。这些车辆将由锂离子可充电电池提供动力。

但锂离子电池也有其自身的可持续性问题。随着未来几年对电动汽车的需求激增，除非这些汽车使用的电池能够以更可持续的方式制造，并考虑到它们的整个生命周期，否则可能会发生二次环境灾难。化学家是电池故事的前沿和中心，从分享2019年诺贝尔化学奖的科学家的早期工作，到世界各地正在努力改进电池所用材料的科学家。

更好的电池需要使用更少的稀缺或有问题的矿物质，或者根本不使用更好。而他们所使用的能源则需要以可持续的方式进行采购。在材料开发之初，就需要考虑对组件进行完整的生命周期分析，以确保未来的电池供应，而这种供应本身不会破坏地球。

需要认真考虑的主要元素包括锂和钴。2021年5月国际能源署发表了一份报告呼吁各国政府现在就考虑为电动汽车提供动力和未来维持可再生能源所需的关键矿物。他们强调，随着我们从汽油驱动的汽车转向电动汽车，对矿物需求的巨大增长——电动汽车所需的矿物是电动汽车的六倍，而且它们的数量大幅增加，不需要数学家就能计算出需要更多的原材料——根据一些估计，到2030年，每年需要提供180万吨。

更道德的锂

其中一种至关重要的材料，锂，并不是一种特别稀缺的资源，美国地质调查局估计全球总资源约为8000万吨，随着不同资源的开发，这个数字还在上升。但锂在提取过程中出现了问题，目前存在巨大的环境问题。根据美国地质调查局美国、澳大利亚的五个采矿业务、阿根廷和智利的两个盐矿开采业务，以及中国的一些生产，构成了世界上几乎所有的锂供应。锂的开采有两种方式:从阿根廷和智利的大片盐滩中蒸发提取，这一过程需要大量的水，对当地的野生动物和人类造成了灾难性的后果。另外，锂也可以作为锂辉石(一种锂铝硅酸盐)开采，锂辉石主要存在于澳大利亚和中国。锂辉石需要在非常高的温度下处理，超过1000°C，使用大量的能量。然后用酸将其浸出。

但可持续的锂生产是可能的——即使在英国也是如此。康沃尔锂公司正在利用康沃尔的采矿遗产和独特的地质条件，试图改变锂的生产方式。康沃尔郡坐落在富含锂元素的花岗岩上。地下深处是热盐水，其中含有大量的水。

康沃尔锂公司在一个老矿区钻了1公里深的钻孔，正在测试从地热储层中抽取热盐水的可行性，地热储层是几年前锡矿商首次发现的。当时，这些热水最终迫使矿工放弃了他们的作业，但所有这些地质数据的遗产现在被证明是富有成效的，可以找到能够获得富含锂的盐水的好地方。康沃尔锂厂使用直接锂萃取(DLE)技术从热盐水中提取锂。这些通常是离子交换树脂，就像美国加利福尼亚州奥克兰的初创企业丁香解决方案公司开发的那样。DLE技术的具体细节往往是专有的，但Lilac使用稀盐酸形成氯化锂，然后可以用于电池。

这比听起来难多了。这些盐水就像热汤一样，只加了一点混合矿物质。要得到锂盐需要一个非常有选择性的分离系统。康沃尔锂公司的首席执行官杰里米·沃瑟尔说，在康沃尔的盐水中，他们也在探索更深的地热水，他们有大约260ppm的锂，6000ppm的钠，2500ppm的钙和5ppm的镁盐。Cornish Lithium首席执行长沃瑟尔(Jeremy Wrathall)说，你必须试着从大海捞针中找出一根小针。为了做到这一点，他们将盐水流过DLE盒，这是一个吸附珠柱。一旦水流停止，这些珠子就会被稀释的盐酸洗脱。不含锂的盐水最终被抽回地下。

今年6月在康沃尔举行的七国集团峰会上，康沃尔锂公司展示了其技术的小型试点工厂演示。在现场，他们已经开始从他们的小钻孔中抽取盐水，并正在测试不同的DLE方法。法国公司Geolith正在康沃尔郡试用他们的DLE套件。他们的系统将吸附剂颗粒嫁接到微纤维上，虽然细节保密，但这些微纤维对锂离子有很强的选择性。在将盐水通过系统后，用酸洗涤微纤维，得到浓缩的氯化锂。除去锂离子后，盐水会被泵回地下。它们产生的氯化物也可以转化为碳酸锂或氢氧化物。

另一个公司,精密定期他在康沃尔锂厂建立了一个钻井平台。他们使用具有巨大表面积的陶瓷纳米球。盐水在重力作用下通过装满珠子的柱，该公司表示，它是通过吸附而不是离子交换工作的，只有锂离子附着在柱上，其余的盐水通过。用盐酸将锂从色谱柱中剥离。另一家公司，新西兰的Geo40他建议使用装满吸附剂的巨大水箱，选择性地挑选出锂离子。

除了吸收热盐水，Wrathall的公司还在探索康沃尔郡圣奥斯特尔外废弃的粘土坑。这些地点是云母矿物的家园，可以提供充足的锂供应。1987年，英国地质调查局发表报告这突显了在圣奥斯特尔附近的一个地点，云母中有多少锂——仅在地球的前100米就高达300万吨。沃瑟尔说:“这是一篇了不起的科学论文，在我们发现它之前，它一直被忽视。”这些地点的云母中含有的锂的品位低于锂辉石，但沃瑟尔说这应该不是问题，因为这个地点——一个古老的中国粘土坑——已经被开采出来了。Wrathall相信他们可以使用良性化学来提取锂。他们的目标是在9月份开始建设一个更大的试点工厂，该工厂将于2022年3月投入使用。

沃瑟尔认为，作为英国最贫困地区之一的康沃尔，该项目是一个重新发现其矿业鼎盛时期经济财富的机会。锂可以用于未来附近的电池厂，汽车制造业也可能被带到该地区。可以建回收厂。

这还不是全部，Wrathall说。他说:“这是最终的可持续锂，因为它还可以提取零碳热量。”地热产生电力，其中一些可以用来运行锂厂，其余的可以用在其他地方，甚至是水培农业。

康沃尔并不是唯一一个可持续生产锂的地方。由火神能源公司(Vulcan Energy Resources)运营的德国莱茵河流域的一个项目也在努力生产无碳排放的锂。该项目的首席执行官弗朗西斯·维丁(Francis Wedin)表示，他们的零碳锂试点工厂已经开始运营，并将决定在2024年之前为一个全面的设施提供资金。

Vulcan的项目还利用地热能，提取富含锂的盐水，并使用DLE将锂以氯化锂的形式提取出来，然后将其转化为氢氧化物。维丁说，欧洲乃至全世界都需要尽可能多的锂。“目前锂行业的碳足迹高得令人无法接受，所以现在锂的需求量增长如此之快，我们认为我们的技术和项目对于确保向电动汽车的过渡实现净零碳足迹至关重要。”

其他组成部分

从电池中的锂开始，获得诺贝尔奖的锂离子电池的另一个严重问题是阴极。索尼(Sony)在上世纪90年代将电池的阴极商业化，如今仍在广泛使用，这种电池的阴极是锂钴氧化物。

德国卡尔斯鲁厄理工学院(Karlsruhe Institute of Technology)的帕瑟里尼(Stefano Passerini)说，就原材料而言，目前真正的问题是钴和镍，这已经是一个严重的问题。在这两种金属中，钴是最有问题的。钴储量主要在刚果民主共和国(DRC)。刚果民主共和国的采矿活动十分残酷，钴矿开采同时存在侵犯人权的行为，因此受到广泛谴责。除了人力成本之外，如此狭窄的供应链还会使钴的成本变得难以预测和不稳定。

镍锰钴材料(简称nmc)作为正极材料前景看好。英国谢菲尔德大学的Serena Corr领导着法拉第研究所的Futurecat项目。她解释了为什么增加镍含量是有益的:“当你增加镍含量时，你就提高了能量密度，提高了容量。”“缺点是制造这些材料在合成上非常具有挑战性。这是因为镍的氧化还原化学。科尔说:“让镍达到正确的氧化状态真的很有挑战性。”她的团队正在使用微波化学来尝试制造这些高镍含量的尖晶石结构。

但镍只能短期解决问题。最终，钴和镍都需要被取代。法拉第研究所的另一个阴极研究项目Catmat是由巴斯大学的Saiful Islam领导的。Islam说，NMC可能会在短期内主导电动汽车市场。但他乐观地认为，最终钴和镍都可以被完全取代。“例如，我们正在研究锰基和铁基正极材料，因为锰和铁的可持续性更强，自然储量也更丰富。”

当寻找新材料时，有可能会产生其他好处。Islam说:“众所周知，提高电动汽车用锂离子电池能量密度的主要障碍之一是阴极的能量密度。”

Islam和他的同事们正在从锂离子电池中使用的传统分层材料转向既不含钴也不含镍的无序结构。“它们基于岩盐结构。他解释说，这对每个人来说都很熟悉。结构是无序的，所以每个阳离子都是锂和锰的混合物，每个阴离子都是氧和氟的混合物。尽管它们是无序的，但这些锰基结构具有高能量密度——更好的是，它们不含钴或镍。在他们最新的研究中，Islam的团队使用了x射线吸收光谱和散射技术，以及计算机建模，去发现什么是特别的锰岩盐中的氧化还原反应使其成为很好的阴极材料。这种无序的结构可以捕获由锂形成的分子氧₂MnO₂F，这使得材料表现得更像固态电极。锰和氧氧化还原对也能够在比传统层状氧化物更低的电压下工作。

提高锂离子电池能量密度的主要障碍之一是阴极的能量密度

正如阴极研究在未来电池中至关重要一样，电池的其他部分也可以得到改进。

帕瑟里尼有一个由50多名科学家组成的研究小组，他们正在研究电池的各个部分。他特别感兴趣的是将电极固定在电池中并将其连接到电流收集器上的粘合剂。目前用作粘合剂的聚合物需要使用有机溶剂进行处理，而且通常含有氟，这使得它们很难处理，而且很难回收或妥善处理。帕瑟里尼和其他人希望通过用水性系统代替这些粘合剂，来克服电池制造中这个鲜为人知的方面所带来的环境问题。

帕瑟里尼还通过设计添加剂来帮助稳定电解质，防止其与高压锂离子电池(特别是nmc型电池)的阴极过度反应，从而使电解质更好地工作。Passerini的团队最近提出了一种电解质添加剂的组合它们共同稳定了电池，也使其性能更好。

这种新电解质的另一个优点是它可以循环利用。常用的电解质盐，LiPF₆它与水反应生成HF，因此不容易回收。因此，用过的锂离子电池最终通过燃烧来处理，帕瑟里尼解释说。

在锂离子

展望未来，所向披靡的锂离子可充电电池能否被一种相关的新技术所取代?目前潜在的竞争者包括固态锂电池、锂空气电池，甚至用钠或其他金属代替锂。

我看到汽车制造商至少在倾听——几年前他们根本不在乎

但是，即使调整了组件和可持续来源的锂，如果可持续电池制造要成为现实，也需要转变态度。帕瑟里尼说:“让电池可持续发展的最好方法是设计一种易于回收的电池。”这将是一个漫长的过程，因为对于每一个可持续发展的胜利，在电池的一个部分找到一种新材料，往往伴随着电池过程的进一步发展。例如，电解质可以很容易地回收，但是当它们被放置在一个充满电的电池中时，它们最终会腐蚀铝集电器。帕瑟里尼说，技术将意味着所有这些问题都可以解决，但这需要时间，而且可能意味着电池更昂贵。

回到康沃尔郡，沃瑟尔希望将回收纳入未来的锂电池工厂。他说:“我们现在就开始考虑回收利用是绝对必要的。”“但是电池很难回收，因为有些人说这就像试图从面包中提取面粉一样。”

帕瑟里尼预测，只有当制造商别无选择时，更可持续的电池才会得到广泛应用。最终，立法将成为推动电池可持续发展的动力。2020年12月，欧盟委员会宣布的计划可能是这一切的开始。

汽车制造商也必须加入进来。好消息是，这看起来是可能的。帕瑟里尼说，我看到汽车制造商至少在倾听，几年前他们根本不在乎。

凯瑟琳·桑德森，英国康沃尔自由撰稿人