锂离子电池可以将地球从汽油驱动的汽车中拯救出来,但电池本身是否名副其实呢?凯瑟琳·桑德森(Katharine Sanderson)调查了改进电池的努力

到2050年,道路上将有多达10亿辆汽车由电力驱动,是2020年的72倍左右。电气化的车队可以终结油老虎、雾霾城市和汽油味。这些汽车将由锂离子充电电池提供动力。

但是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。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,化学家是电池故事的前沿和中心。

更好的电池将需要使用更少稀缺或有问题的矿物质,或者更好的是完全不使用。而他们所使用的能源必须以可持续的方式采购。在材料开发的一开始就需要考虑对组件的全生命周期分析,以确保未来的电池供应,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月国际能源机构发布了一份报告呼吁各国政府现在就考虑未来为电动汽车提供动力和维持可再生能源所需的关键矿物。他们强调了矿物需求的巨大增长,因为我们从汽油驱动的汽车转向电动汽车——电动汽车所需的矿物是电动汽车的六倍,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,足够每年提供180万吨。

更道德的锂

锂是其中一种重要材料,它并不是一种特别稀缺的资源,美国地质调查局估计全球资源总量约为8000万吨,随着人们对不同资源的探索,这一数字还在上升。但锂在提取时也会产生问题,目前会带来巨大的环境问题。根据美国地质调查局该公司在澳大利亚拥有5家采矿业务,在阿根廷和智利拥有2家盐业开采业务,在中国也有部分生产业务,这几乎构成了全球锂供应的全部。锂的开采方式有两种:从阿根廷和智利的巨大盐滩中蒸发提取锂,这一过程使用了大量的水,对当地野生动物和人类造成了灾难性的后果。或者,锂也可以作为矿物锂辉石(一种硅酸锂铝)开采,因为它主要在澳大利亚和中国。锂辉石需要在超过1000°C的非常高的温度下进行加工,使用大量的能量。然后用酸浸出。

图为咸水湖中的火烈鸟

来源:©Martin Bernetti/法新社/Getty Images

在世界上许多地方,开采锂所需的大量水对野生动物有害

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。康沃尔郡坐落在富含锂的花岗岩上。地下深处的热盐水中含有大量的甲烷。

康沃尔锂业公司(Cornish Lithium)在一处老矿区钻了1公里深的钻孔,并正在测试从多年前由锡矿工人首次发现的地热储层中抽取热盐水的可行性。当时,这些热水最终迫使矿工们放弃了他们的作业,但所有这些地质数据的遗产现在被证明是富有成效的,因为它们可以找到富含锂的卤水。康沃尔锂业的工厂使用直接锂萃取(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(Lilac Solutions)开发的那样。DLE技术的确切细节往往是专有的,但丁香公司使用稀释的盐酸形成氯化锂,然后可以用于电池。

图为康沃尔郡一个废弃的锡矿

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康沃尔作为锡矿开采中心的历史可能会转变为锂矿开采的未来

这比听起来难多了。这些卤水就像用少量混合矿物质调味的热汤。要得到锂盐需要一个非常有选择性的分离系统。在康沃尔的盐水中,康沃尔锂公司的首席执行官Jeremy wrrathall说,在他们正在探索的更深的地热水中,大约有260ppm的锂,6000ppm的钠,2500ppm的钙和5ppm的镁盐。Cornish Lithium首席执行长雷瑟尔(Jeremy wrrathall)说,你得试着从一个非常大的草堆里抽出一根小针。为了做到这一点,他们将盐水通过DLE箱,这是一个吸附珠柱。一旦流动停止,然后用稀盐酸洗脱珠子。无锂盐水最终被泵回地下。

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迷你试验工厂演示。在现场,他们已经开始从他们的小钻孔中抽盐水,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工具包。他们的系统将吸附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非常有选择性。在将盐水通过系统后,微纤维再用酸洗涤,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,精密定期他已经在康沃尔锂厂安装了一个钻井平台。他们使用具有巨大表面积的陶瓷纳米珠。盐水在重力作用下通过装满珠子的色谱柱,该公司表示,这是通过吸附而不是离子交换来工作的,只有锂离子粘附在色谱柱上,其余的盐水通过。用盐酸将锂从色谱柱中剥离出来。另一家公司,新西兰的Geo40他建议使用装满吸附剂的大罐,有选择性地挑选锂离子。

图为地热水样本的采集

来源:©Cornish Lithium

康沃尔锂公司正在测试水,看盐水中是否含有足够的锂来提取

在吸收热盐水的同时,Wrathall的公司还在康沃尔郡圣奥斯特尔外的废弃泥坑进行勘探。这些地方是云母矿物的家园,可以提供丰富的锂供应。1987年,英国地质调查局发表报告它突出了圣奥斯特尔附近一个地点的云母中有多少锂——仅在地球的前1亿处就高达300万吨。“这是一篇非常伟大的科学论文,在我们发现它之前一直被忽视,”rathall说。这些地点的云母所含的锂品位比锂辉石低,但Wrathall说这应该不是问题,因为这个地点——一个古老的瓷土坑——已经被开采出来了。Wrathall相信他们可以使用良性化学方法来提取锂。他们的目标是在9月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。

Wrathall将该项目视为康沃尔——英国最贫困的角落之一——从之前的矿业全盛时期重新发现其经济财富的机会。未来,锂可以被用于附近的电池厂,汽车制造业也可能被带到该地区。回收工厂可以建在里面。

这还不是全部,rathall说。他说:“这是终极的可持续锂,因为你还可以提取零碳热量。”有了地热就有了电力,其中一些可以用来运行锂工厂,其余的可以用于其他地方,甚至在水培农业中。

康沃尔并不是唯一一个可以可持续生产锂的地方。在德国莱茵河流域,由瓦肯能源公司(Vulcan Energy Resources)运营的一个项目也在努力生产无碳排放的锂。该项目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,并将在2024年前决定为全面设施提供资金。

Vulcan的项目还使用地热能,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根。维丁说:“欧洲乃至全世界都需要它能得到的所有锂。”“目前锂行业的碳足迹高得让人无法接受,所以现在锂需求量增长得如此之快,我们认为我们的技术和项目对于确保向电动汽车过渡的过程中实现零碳足迹至关重要。”

其他组成部分

说到电池中的锂,获得诺贝尔奖的锂离子电池的另一个严重问题是阴极。上世纪90年代,索尼(Sony)将电池的阴极商业化,至今仍在广泛使用,这种阴极就是钴酸锂。

图为在刚果矿山工作的人

来源:©Per-Anders Pettersson/Getty Images

电池中的其他金属——尤其是钴——通常是在工作条件有问题的国家开采的

德国卡尔斯鲁厄理工学院(Karlsruhe Institute of Technology)的帕萨利尼(Stefano Passerini)说,目前就原材料而言,真正的问题是钴和镍,这已经是一个严重的问题。在这两种金属中,钴是问题最大的。钴储量主要发生在刚果民主共和国。刚果民主共和国的采矿作业非常残酷,并因与钴矿开采相关的侵犯人权行为而受到广泛谴责。除了人力成本之外,如此狭窄的供应链还会使钴的成本难以预测和不稳定。

镍锰钴材料-称为NMCs -看起来很有前途的阴极材料。英国谢菲尔德大学的塞雷娜·科尔(Serena Corr)领导着法拉第研究所的未来猫联盟。她解释了为什么提高镍含量是有益的:“当你提高镍含量时,你就能提高能量密度,提高容量。”“缺点是合成这些材料非常具有挑战性。“这是因为镍的氧化还原化学作用。科尔说:“要让镍达到合适的氧化态真的很有挑战性。”她的团队正在使用微波化学来尝试制造这些高含镍尖晶石结构。

但镍只是短期的解决办法。最终钴和镍都需要被取代。另一个专注于阴极的法拉第研究所项目Catmat由巴斯大学的Saiful Islam领导。伊斯兰说,短期内,NMC可能会在电动汽车领域占据主导地位。但他乐观地认为,钴和镍最终都能被完全取代。“例如,我们正在研究以锰和铁为基础的阴极材料,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,也有可能产生其他好处。伊斯兰说:“众所周知,在锂离子电池(比如电动汽车)中提高能量密度的主要障碍之一是阴极的能量密度。”

伊斯兰教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不含钴或镍的无序结构。“它们是基于岩盐结构。每个人都很熟悉,”他解释道。结构是无序的,所以每个阳离子位点都有锂和锰的混合物,每个阴离子位点都有氧和氟的混合物。尽管它们是无序的,但这些锰基结构具有高能量密度——更棒的是,它们不含钴或镍。在他们最新的研究中,伊斯兰的团队使用了x射线吸收光谱和散射技术,并结合计算机建模,找出特别之处其中一种锰岩盐的氧化还原反应使它成为一种很好的阴极材料。这种无序的结构在锂形成的过程中捕获了氧分子2MnO2F,这使得材料表现得更像固态电极。锰和氧氧化还原偶也能够在比传统的层状氧化物更低的电压下工作。

在锂离子电池中实现更大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改进。

帕萨利尼有一个由50多名科学家组成的研究小组,他们正在研究电池的所有部分。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加工,而且通常含有氟,这使得它们难以处理,难以回收或妥善处理。帕萨利尼和其他人希望通过用水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。

帕萨利尼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)中的阴极发生过度反应,从而使电解质更好地工作。Passerini的团队最近想出了一种电解液添加剂组合这使电池更加稳定,也使其性能更好。

这种新型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,与水反应生成HF,所以不容易回收。帕萨利尼解释说,因此使用过的锂离子电池最终会通过燃烧来处理。

在锂离子

展望未来,无所不能的锂离子可充电电池会被一种新的、尽管相关的技术所取代吗?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取代锂。

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成为现实,也需要转变态度。帕萨利尼说:“让电池可持续的最好方法是设计一种容易回收的电池。”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来说,在电池的某个部分找到一种新材料往往会在电池工艺的进一步发展中得到回报。例如,电解质可以很容易地回收,但当放置在一个完整的电池时,它们最终会腐蚀铝电流收集器。帕萨利尼说,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,拉索尔希望在未来的锂电池工厂中融入回收技术。他说:“我们现在就开始考虑回收利用问题,这是绝对必要的。”“但是电池很难回收,因为有人说这就像从面包里提取面粉一样难。”

帕萨利尼预测,只有在制造商别无选择的情况下,更可持续的电池才会被广泛使用。最终,立法将成为推动电池可持续发展的动力。2020年12月,欧盟委员会宣布了可能是这一计划的开始。

汽车制造商也必须加入进来。好消息是,这看起来是可能的。帕萨利尼说,我发现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,英国康沃尔自由记者