构建可持续电池价值链的每个环节

政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change）第六次评估报告的第二部分于2022年2月底发布，突显了当下应对不断升级的气候危机的紧迫性。首要行动是我们全球能源系统的电气化，以及从化石燃料向可再生能源的过渡。然而，间歇性问题和储能缺口仍然是根本性障碍。长期以来，各种类型、形状和尺寸的电池一直被认为是解决方案，但它们价值链上每一环的可持续性，仍有待仔细研判。

我们的能源系统占全球温室气体排放量的70%以上。交通和电力加起来约占这些排放量的一半，被认为是最容易实现电气化的部门。这种“过渡可行性”反映在国际能源署的净零能源系统路线图中概述的电气化目标中：到2030年，60%的新车销售应为电动汽车，到2050年，70%的电力应通过太阳能和风能发电。增加储能对这两个目标都至关重要：预测显示，在未来8年内，存储容量需要增加30倍。

几十年来，电池一直是领先的电力存储技术，这得益于获得诺贝尔2019年化学奖认可的John Goodenough、M.Stanley Whittingham和Akira Yoshino在20世纪90年代初的开展的锂电池先锋工作。自此，电池技术开始出现在生产生活中的每个角落。通过其高能量密度、高存储容量、可充电性和商业可行性，锂电池彻底改变了信息、通信技术、汽车和电网。长期以来，锂电池一直被认为是解决我们能源存储需求的解决方案。基于当前的技术，如果我们能够在2030年将锂电池的总存储容量扩大17倍，它们将是清洁能源未来的关键。

然而，正如Au等人在本期Commentary中所指出的，从获取原材料，到制造，以及最终的报废电池处理，整个电池价值链都暗藏可持续性挑战。尽管电池很可能是一种清洁能源解决方案，但它们的全过程可持续性不可忽视。

对电池核心特性（如能量密度、存储容量、可循环性和效率）至关重要的元素（如锂、钴、镍和石墨）是稀缺资源，且供应链脆弱。锂电池需求的增加可能导致对这些稀缺资源的过度开发、价格波动甚至地缘冲突——一个最近的代表性案例是2021年飞升450%的锂价格。此外，这些原材料的储量通常位于较不发达国家，关乎不可忽视的社会和道德问题。例如，绝大多数钴仅在刚果民主共和国发现，那里童工和不安全的矿业工作做法司空见惯。许多关键原材料的开采对陆地环境也造成了相当大的影响。近年，如Amon等人在本期Commentary中所讨论的，对关键材料的开采已经延伸到深海领域。温室气体排放、水资源短缺、有毒废物和栖息地破坏可能只是绿色能源未来的几个后果。

毫无疑问，电池是我们最可行的储能技术，但正如许多意图解决社会挑战却孤立存在的解决方案一样，无可避免地面临权衡问题。令人欣慰的是，越来越多的科学家意识到这些权衡，正如本月的Voices文章所示，电池研究已开始探索更可持续的技术解决方案。大多数进展都与改进阴极材料有关，如使用相对而言不甚稀缺的元素（如硫、钠和钾）来取代更易产生社会环境问题的稀有金属（如锂、钴和镍）。阳极材料和当前对石墨的依赖也是近年来出现的另一个焦点，无石墨甚至无阳极电池受益于更高的能量密度。一些研究人员主张完全去除作为电极材料的金属，例如全有机电池和橡胶电解质已经体现了最近的一些进展。然而，尽管这些新兴技术令人鼓舞，但它们往往因电池的整体性能下降而仍需要更多研究。容量降低、效率降低、周期性降低、寿命缩短和不稳定性都是众多权衡因素之一。

此外，关于锂电池可持续性挑战并不仅仅存在于电池核心的化学和材料部分。比如，尽管有不同的假设，且估计值不一，但锂离子电池制造过程中产生的温室气体排放量可能占电池全周期排放量的一半以上。一个解决方案是确保制造业使用更清洁的能源。然而，如上所述，首先需要更大的电池存储容量来稳定由可再生能源供电的电网，而此可能反过来会产生更多的排放。另一种方法是增加电池的能量密度。然而，这再次让人想起了目前仍需要改进的电池化学：当关键金属被替代时，能量密度通常会受到影响。就电动汽车而言，快速充电可以提供部分解决方案。导致制造业排放的一个因素是电池尺寸。随着汽车制造商寻求解决里程焦虑问题，并为更长的单次充电行程储存更多能量，电动汽车电池正在变得越来越大。然而，更大的电池往往会导致更高的电池生产相关的排放量、更多的关键金属开采，和更高的电池成本。正如Yang等人在本期Commentary中所讨论的，如果配合精心规划的快充策略，更小的电池可以在相似的时间内支持相同的行驶距离。在锂电池价值链中，电池制造部分是复杂的，只有通过更多的跨学科研究，我们才能确定所需解决方案的组合，以最大限度地减少权衡并提供更大的共同利益。

处置报废的锂电池也会产生可观的环境足迹。据估计，到2030年，每年约有200万公吨的废旧锂电池。在如此巨大的待报废电池数量之外，电池内部物质的降解和浸出还会将有毒的化学物质（如锂、镍和镉）释放到大气、土壤和水道中，从而积累并威胁人类和环境健康。提高锂电池的使用寿命和可回收性不仅对降低这些影响至关重要，而且对回收有价值的资源并进行再利用，以及缓解开采原材料的压力也至关重要。目前，复杂的化学成分和不同的电池单元结构导致回收锂电池非常具有挑战性。此外，电池组的拆卸会产生有害的氟化氢气体，甚至导致电池爆炸。因此，目前的锂离子电池回收率极低，约为5%。令人鼓舞的是，当下已经有关于改进电池设计的进展，以便更容易地拆卸和回收有价值的材料，或者开发电池再生工艺，使废旧锂电池的阴极材料能够被重新利用。然而，仍然需要更多的合作努力来促进优化设计，从而将每一个电池从诞生到完结的可持续性成本降至最低。

自30年前突破性地出现锂离子电池技术以来，电池研究一直专注于性能——更高的能量密度、更大的存储容量、更多的充电周期，但其前景正在发生变化。正如《欧盟电池2030+倡议》（EU Battery 2030+）和本期中的许多文章所表明的那样，我们迫切需要推动针对更可持续电池的研究。这不仅是一个渴求，更是一个巨大的机会。2019年诺贝尔委员会强调：“锂电池奠定了无线和无化石燃料社会的基础”。现在是将这个基础进一步推向可持续未来的关键时刻。这无疑需要一种整体的、跨学科的、泛学科的综合方法，在更广泛的研究社区中进行新的合作。One Earth欢迎并期待发表这一令人兴奋的前沿领域的高质量研究。

One Earth 3月刊已于3月18日上线

标签： 解决方案 存储容量 可持续性

　　 原标题：构建可持续电池价值链的每个环节