你可以在上面观看这个播客的视频版本,或者从网站上收听纯音频版本元素中的化学这里是播客提要:

或者阅读下面经过编辑的文字记录。

本Valsler

我们正处于气候危机之中。作为回应,各国都承诺采取重大行动减少碳排放——例如,欧盟计划在2050年实现碳中和,中国计划在2060年实现碳中和。2015年,近200个缔约方通过了《巴黎气候协定》,要求各国制定计划,在日益雄心勃勃的五年周期内减少温室气体排放。碳意识也进入了企业文化,巴斯夫等组织的目标是到2030年实现碳中和增长,通用汽车的目标是2040年。

当讨论大规模的碳减排时,焦点往往是发电——用太阳能、风能或潮汐能取代化石燃料——或碳捕获和存储等新技术。但为了一个真正可持续的未来,我们需要一个更广阔的视野。

克里斯Stumpf

我是克里斯·斯通普夫,在沃特斯公司工作。我是高级经理,主要负责市场开发。实际上,我最近一直在广泛关注电子产品领域,以及可持续性。我在公司里有个“绿色大使”的头衔,因为我和很多电子产品都有关系,尤其是锂离子电池。它与碳中和有关,也与支持世界各地许多公司和国家的可持续发展目标有关,因为他们正在努力实现碳中和的既定目标。

本Valsler

沃特斯公司是全球领先的专业测量公司——他们自己不生产锂离子电池或研究新的可持续材料,但他们开发色谱、质谱和热分析技术,使世界各地的科学家和行业能够回答前沿问题。

克里斯Stumpf

我认为这是一个共同的主线,我认为由于Covid-19,这在很大程度上加速了。我们发现,供应链正在被破坏,需要能够在国家内部进行生产。就目前的情况来看,很多供应链是不可持续的。因此,减少这种情况的一种方法是使用5G,它可以实现物联网,从而实现自动化制造。还有人工智能,它可以直接专注于管理供应链的特定方面,以及连续制造,诸如此类的事情。其中的基础技术是能源,以及如何在需要的地方储存和使用能源。其中一种方法就是电池,特别是锂离子电池。它们是当今最主要的电池类型。目前,它们为电动汽车和混合动力汽车提供动力,它们被用于电网,用于智能电网。它们的使用将在整个景观中非常普遍。 In addition, they’re heavily used in consumer electronics, our smartphones and our laptops, and all these types of devices that we use nowadays.

本Valsler

虽然所有这些技术都在促进发展和减少我们对现有过时基础设施的依赖方面发挥了作用,但电池似乎是清单上最不令人兴奋的。距离第一个商用锂离子电池只有大约30年的时间,但在这段时间里,它们已经变得无处不在,司空见惯,甚至被遗忘。

克里斯Stumpf

人工智能和5G得到了大量宣传。我的意思是,它们甚至存在于流行文化中——你可以想想斯蒂芬·金的小说细胞这部电影的原型是制造带有手机信号塔的僵尸。史蒂文·斯皮尔伯格在2001年拍了一部电影,以人工智能为基础,创造了一个[人造]人。

但现在,我们认为锂离子电池技术是理所当然的。它无处不在:它在我们的笔记本电脑和手机里。还有很多事情要做。

2019年诺贝尔化学奖得主古迪纳夫、威廷汉姆和吉野三表示,在研究方面仍有六件事需要做:降低成本、提高安全性、增加电荷密度。例如,如果你要把这些锂离子电池放在飞机上,或者一辆大型牵引拖车或类似的东西上,你需要更多的能量密度。

接下来的问题是,锂离子电池技术,就像今天所采用的那样,使用液态电解质液体以及阴极和阳极,是否是正确的方法。我们应该采用另一种技术吗?比如说,我们用固态吗?或者我们用其他类型的技术来代替电极?阳极和阴极中的锂和钴真的不是那么可持续的——从可持续性的角度来看有点困难。你能不能用更常见的金属比如钠来代替一些?这里有很多机会让真正基础的研发人员决定往哪个方向发展,以及哪个是最具商业可行性的选择。

本Valsler

可持续性对不同的人意味着不同的东西。对于可持续的商业战略,它需要确保利润大于成本。但这可能与环境底线相冲突——确保不造成环境或生态破坏,以维持自然界的后代。从全球角度看,联合国制定了17项可持续发展目标,其中包括负担得起的清洁能源、气候行动、负责任的消费和生产以及性别平等、卫生、和平与正义。

克里斯Stumpf

除了清洁的环境,他们还希望促进国内稳定,因为他们希望最大限度地减少极端的财富不平等,以减少战争的可能性。关于锂离子电池,可持续发展的框架和材料的来源在联合国的17个发展目标中起着重要作用。想想巴黎气候条约,如果我们能将碳排放量保持在1990年的水平,那么我们就能阻止地球温度的上升。基本上,这就证明了在锂离子电池及其产品的研发上的投资是合理的。

吉野幸男谈到锂离子电池是可持续社会的基石。但还有其他事情我们没有意识到,直到我们进入了一个世界,有很多消费电子产品、汽车、飞机和类似的东西用锂离子电池或其他替代品来运行。它是一种使能技术。它在整个可持续发展计划中只扮演了很小的角色。这不是唯一能帮助解决这个问题的方法,因为这是一种混合的情况,我们需要做很多事情来达到一个可持续的未来,但在我看来,这是它的基础。

本Valsler

如果电池要成为可持续发展社会的基石,我们必须了解如何根据特定用途定制它们——你笔记本电脑上的电池与最新电动汽车上的电池有非常不同的规格。这就是测量技术发挥作用的地方,从蓝天研究到高效制造,都能提供帮助。

尼尔·迪马斯

大家好,我是Neil Demarse。我是微量热测量产品的产品经理。

因为它们是封闭的,不移动的,你几乎可以把电池想象成一台机器。这是一个复杂的设备。研究全电池的技术并不多。很多都是破坏性的技术。做一个测试,既可以单独检查化学物质,也可以检查整个电池,这很重要。这就是量热法对研究领域的重要贡献。

研究也开始考虑引入一些生物化学家或生物制药科学正在使用的工具,因为它们的敏感性:高效液相色谱法和质谱法。还有低温电子显微镜,它在历史上只用于蛋白质科学;现在,它被应用到电池的材料表征中。随着电池的变化和性能要求的加快,他们正在引入一些传统上不会被化学工程师或化学家使用的工具。没有一种适用于所有情况的电池,因此将会有大量的研究来确定如何为特定的应用最好地制造特定的电池。

克里斯Stumpf

为了考虑安全性或能量密度等问题,从分析表征的角度来看,你必须回过头来考虑电池本身。当你想到电池的时候,你需要考虑四件主要的事情。这是阳极和阴极,我们都很熟悉电池的末端,基本上就是阳极和阴极。里面是电解质。有添加剂和所有这些东西被放在那里,部分是为了提高电池的性能,但也抑制潜在的火灾和诸如此类的事情。然后在里面,有一个聚合物分离器。其主要目的是防止阳极和阴极之间短路。如果你真的短路了——聚合物被刺穿了,或者它收缩了——电池很快就会变热。如果电池很快变热,就会产生连锁反应,因为很多时候,这些汽车的电池组里会有数千个这样的电池。它可以像多米诺骨牌一样层叠。

尼尔·迪马斯

量热法可以告诉你反应发生的速度有多快,反应的强度有多大,甚至可以告诉你是否有反应在发生。所以研究人员在电池进入电池之前可能有一些化学数据,或者如果你把电池切开,但是量热法会告诉你所有这些成分是如何反应的——其中是否有我们不想要的反应?我们在测量热量;这些反应会不会太热?

进入电池的化学物质将有助于电荷密度和电池寿命周期。安全性也是可以在研发过程的早期考虑的问题,以确保化学物质是兼容的。高精度库仑法是另一种与量热法配合使用的技术,用于了解这些寄生反应,研究人员想要了解的微小反应,因为它直接指向了电池的性能有多好。

克里斯Stumpf

但你也有能力真正理解正在发生的化学反应,以及所有的副反应。这些副反应基本上剥夺了电池的主要好处:它所产生的能量。如果你能从分子的角度,用质谱等技术,或者用电池量热法来理解整个电池,那么你就能真正理解如何让电池使用20年,40年,100年。

本Valsler

对电池内部的化学成分进行微调还不足以制造出完美的产品——正确的电池外壳对于让化学成分在原位发挥作用至关重要。为了确认一个箱子在现实世界中不会坍塌,研究人员使用了热重分析(TGA)等技术。通过以可控的方式对材料加热,他们不仅可以精确测量物理变形,还可以精确测量指示降解或氧化的化学变化。

克里斯Stumpf

制造外壳的聚合物实际上非常重要。例如,你想要制造一个能在车祸中被压碎的外壳。所以你可以设计一个套管,并使用分析特性来构建聚合物,使其抵抗这种情况。你可以在内部的电解质中加入合适的添加剂,这样如果这个东西开始加热,它就可以触发某种类型的火焰抑制。从分析的角度来看,你可以做很多这样的事情来制造一个高性能的电池,它有很多你想要的能量性能。但同时你也要考虑到安全问题。

本Valsler

可持续未来的一个重要组成部分——联合国负责任的消费和生产目标所强调的——集中在产品在使用寿命结束时发生的事情上。电子垃圾是一个日益严重的问题——据联合国估计,2018年报告的电子垃圾为5000万吨,预计到2050年这一数字将翻一番。这包括难以回收的复杂设备,可能含有有毒或难以替代的组件,从而形成一个恶性循环,即以破坏环境的方式开采材料,仅在几年内就被送回垃圾填埋场。对于电池,就像其他电子元件一样,研究和表征可以帮助我们减少、重复使用和回收。

尼尔·迪马斯

要理解回收还有很多工作要做。苹果是世界上最大的电池回收商之一。这并不奇怪——他们所有的设备都有电池。我相信他们想要回这些电池,他们有一个流程,可能能够回收部分或全部电池。有很多其他的技术,但仍然有问题:你如何把一个充满化学物质的静态机器拆开?你如何回收这些小碎片?有一些计划或研究是这样的,‘我们将磨碎电池,并尝试通过机械地使电池变得越来越小,从而净化电池的某些部分。“有些人打开电池,提取某些材料,但我认为理解电池如何回收是一个很大的挑战。”最好的方法是什么?我认为它并不一定符合我们目前所知道的分离[组件]的回收过程。分类垃圾很容易。 With batteries, it’s a lot more complex.

克里斯Stumpf

现在,收集这些电池是有规定的,因为我们不想让它们进入废物流。但就收集足够的材料进行再利用而言,我认为电动汽车的数量实际上还不够高,在经济上是可行的。关于回收电池,人们主要关注两个方面。第一种方法相对简单:你从汽车上取下装在某种外壳里的电池组,打开外壳,就有了所有这些独立的电池。你可以测试这些细胞中的每一个,你可以把坏的细胞取出来,用好的细胞代替。然后你可以重新利用电池组,要么把它放回另一辆车里,要么把它放进智能电网里,这可能对能量的要求不那么高。实际上,它在电网中可能会持续更长的时间。这基本上是对电池的重新调整。

第二种方法是将电池组从汽车或手机或其他设备中取出,打开电池组,取出电池,并将它们磨碎。然后试着把东西分成钴、镁、锂等,回到原始材料。这是另一个需要分析特性的领域;你需要质谱,核磁共振,TGA, DSC,所有这些类型的技术来理解它的物理性质和分子性质,看看你是否真的回到了你想要的地方。

本Valsler

纯的、原始的材料具有相当好理解的特性。但是当一种材料从废弃电池中回收时,我们需要确定它在返回制造过程之前会以同样的方式表现出来。由于许多公司在财务上处于紧张状态,使用可能含有杂质的回收或再生材料的风险可能令人难以承受。

克里斯Stumpf

如果没有分析特性,没有对阳极和阴极材料,电解质和聚合物材料的分子理解,没有对分子和物理的理解-有了TGA,你实际上可以把聚合物和热塑性塑料融化。你需要知道这些聚合物什么时候融化,因为这是制造过程的一部分。你融化这些聚合物,然后吹模,或者用它们做不同类型的制造。但你需要理解这一点,因为如果温度改变了,在现有的制造过程中,它就不能工作了,你必须做所有这些适应。所以,你真的需要了解,‘我是否仍然拥有相同的聚合物,或者它是否以某种方式降解了?“例如,如果你从电池中提取一种聚合物,并将其用于不同的应用,比如汽车保险杠,如果这种聚合物现在很脆,它就会立即断裂。这在汽车上不太适用因为你需要保险杠来抵挡冲击力。所以,从最开始制造电池到循环经济再到组件的再利用,整个过程的分析特性,你必须从这个过程的每一步都理解这一点。

本Valsler

因此,当我们共同努力寻找方法来适应充满挑战的未来,以实现我们为可持续性的不同定义设定的雄心勃勃的目标时,我们必须使用所有可用的工具来探测、分析和理解我们认为理所当然的技术。有了这样的理解,我们将能够制造和重建更好的电池,实现吉野彰的愿景,即电池是可持续社会的基石。

有关这个主题的更多信息,请查看新的化学世界可持续性集合-与我们的合作伙伴一起创建的策必威体育 红利账户划内容。你可以在chemistryworld.com/sustainability

本播客由沃特斯的克里斯·斯通普夫和尼尔·德马泽主持,与沃特斯公司合作制作。我是《化学世界》的本·瓦尔斯勒,感谢你的加必威体育 红利账户入。