中國儲能網(wǎng)訊：政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change）第六次評估報告的第二部分于2022年2月底發(fā)布，突顯了當下應(yīng)對不斷升級的氣候危機的緊迫性。首要行動是我們?nèi)蚰茉聪到y(tǒng)的電氣化，以及從化石燃料向可再生能源的過渡。然而，間歇性問題和儲能缺口仍然是根本性障礙。長期以來，各種類型、形狀和尺寸的電池一直被認為是解決方案，但它們價值鏈上每一環(huán)的可持續(xù)性，仍有待仔細研判。
我們的能源系統(tǒng)占全球溫室氣體排放量的70%以上。交通和電力加起來約占這些排放量的一半，被認為是最容易實現(xiàn)電氣化的部門。這種“過渡可行性”反映在國際能源署的凈零能源系統(tǒng)路線圖中概述的電氣化目標中：到2030年，60%的新車銷售應(yīng)為電動汽車，到2050年，70%的電力應(yīng)通過太陽能和風(fēng)能發(fā)電。增加儲能對這兩個目標都至關(guān)重要：預(yù)測顯示，在未來8年內(nèi)，存儲容量需要增加30倍。
幾十年來，電池一直是領(lǐng)先的電力存儲技術(shù)，這得益于獲得諾貝爾2019年化學(xué)獎?wù)J可的John Goodenough、M.Stanley Whittingham和Akira Yoshino在20世紀90年代初的開展的鋰電池先鋒工作。自此，電池技術(shù)開始出現(xiàn)在生產(chǎn)生活中的每個角落。通過其高能量密度、高存儲容量、可充電性和商業(yè)可行性，鋰電池徹底改變了信息、通信技術(shù)、汽車和電網(wǎng)。長期以來，鋰電池一直被認為是解決我們能源存儲需求的解決方案?；诋斍暗募夹g(shù)，如果我們能夠在2030年將鋰電池的總存儲容量擴大17倍，它們將是清潔能源未來的關(guān)鍵。
然而，正如Au等人在本期Commentary中所指出的，從獲取原材料，到制造，以及最終的報廢電池處理，整個電池價值鏈都暗藏可持續(xù)性挑戰(zhàn)。盡管電池很可能是一種清潔能源解決方案，但它們的全過程可持續(xù)性不可忽視。
對電池核心特性（如能量密度、存儲容量、可循環(huán)性和效率）至關(guān)重要的元素（如鋰、鈷、鎳和石墨）是稀缺資源，且供應(yīng)鏈脆弱。鋰電池需求的增加可能導(dǎo)致對這些稀缺資源的過度開發(fā)、價格波動甚至地緣沖突——一個最近的代表性案例是2021年飛升450%的鋰價格。此外，這些原材料的儲量通常位于較不發(fā)達國家，關(guān)乎不可忽視的社會和道德問題。例如，絕大多數(shù)鈷僅在剛果民主共和國發(fā)現(xiàn)，那里童工和不安全的礦業(yè)工作做法司空見慣。許多關(guān)鍵原材料的開采對陸地環(huán)境也造成了相當大的影響。近年，如Amon等人在本期Commentary中所討論的，對關(guān)鍵材料的開采已經(jīng)延伸到深海領(lǐng)域。溫室氣體排放、水資源短缺、有毒廢物和棲息地破壞可能只是綠色能源未來的幾個后果。
毫無疑問，電池是我們最可行的儲能技術(shù)，但正如許多意圖解決社會挑戰(zhàn)卻孤立存在的解決方案一樣，無可避免地面臨權(quán)衡問題。令人欣慰的是，越來越多的科學(xué)家意識到這些權(quán)衡，正如本月的Voices文章所示，電池研究已開始探索更可持續(xù)的技術(shù)解決方案。大多數(shù)進展都與改進陰極材料有關(guān)，如使用相對而言不甚稀缺的元素（如硫、鈉和鉀）來取代更易產(chǎn)生社會環(huán)境問題的稀有金屬（如鋰、鈷和鎳）。陽極材料和當前對石墨的依賴也是近年來出現(xiàn)的另一個焦點，無石墨甚至無陽極電池受益于更高的能量密度。一些研究人員主張完全去除作為電極材料的金屬，例如全有機電池和橡膠電解質(zhì)已經(jīng)體現(xiàn)了最近的一些進展。然而，盡管這些新興技術(shù)令人鼓舞，但它們往往因電池的整體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、壽命縮短和不穩(wěn)定性都是眾多權(quán)衡因素之一。
此外，關(guān)于鋰電池可持續(xù)性挑戰(zhàn)并不僅僅存在于電池核心的化學(xué)和材料部分。比如，盡管有不同的假設(shè)，且估計值不一，但鋰離子電池制造過程中產(chǎn)生的溫室氣體排放量可能占電池全周期排放量的一半以上。一個解決方案是確保制造業(yè)使用更清潔的能源。然而，如上所述，首先需要更大的電池存儲容量來穩(wěn)定由可再生能源供電的電網(wǎng)，而此可能反過來會產(chǎn)生更多的排放。另一種方法是增加電池的能量密度。然而，這再次讓人想起了目前仍需要改進的電池化學(xué)：當關(guān)鍵金屬被替代時，能量密度通常會受到影響。就電動汽車而言，快速充電可以提供部分解決方案。導(dǎo)致制造業(yè)排放的一個因素是電池尺寸。隨著汽車制造商尋求解決里程焦慮問題，并為更長的單次充電行程儲存更多能量，電動汽車電池正在變得越來越大。然而，更大的電池往往會導(dǎo)致更高的電池生產(chǎn)相關(guān)的排放量、更多的關(guān)鍵金屬開采，和更高的電池成本。正如Yang等人在本期Commentary中所討論的，如果配合精心規(guī)劃的快充策略，更小的電池可以在相似的時間內(nèi)支持相同的行駛距離。在鋰電池價值鏈中，電池制造部分是復(fù)雜的，只有通過更多的跨學(xué)科研究，我們才能確定所需解決方案的組合，以最大限度地減少權(quán)衡并提供更大的共同利益。
處置報廢的鋰電池也會產(chǎn)生可觀的環(huán)境足跡。據(jù)估計，到2030年，每年約有200萬公噸的廢舊鋰電池。在如此巨大的待報廢電池數(shù)量之外，電池內(nèi)部物質(zhì)的降解和浸出還會將有毒的化學(xué)物質(zhì)（如鋰、鎳和鎘）釋放到大氣、土壤和水道中，從而積累并威脅人類和環(huán)境健康。提高鋰電池的使用壽命和可回收性不僅對降低這些影響至關(guān)重要，而且對回收有價值的資源并進行再利用，以及緩解開采原材料的壓力也至關(guān)重要。目前，復(fù)雜的化學(xué)成分和不同的電池單元結(jié)構(gòu)導(dǎo)致回收鋰電池非常具有挑戰(zhàn)性。此外，電池組的拆卸會產(chǎn)生有害的氟化氫氣體，甚至導(dǎo)致電池爆炸。因此，目前的鋰離子電池回收率極低，約為5%。令人鼓舞的是，當下已經(jīng)有關(guān)于改進電池設(shè)計的進展，以便更容易地拆卸和回收有價值的材料，或者開發(fā)電池再生工藝，使廢舊鋰電池的陰極材料能夠被重新利用。然而，仍然需要更多的合作努力來促進優(yōu)化設(shè)計，從而將每一個電池從誕生到完結(jié)的可持續(xù)性成本降至最低。
自30年前突破性地出現(xiàn)鋰離子電池技術(shù)以來，電池研究一直專注于性能——更高的能量密度、更大的存儲容量、更多的充電周期，但其前景正在發(fā)生變化。正如《歐盟電池2030+倡議》（EU Battery 2030+）和本期中的許多文章所表明的那樣，我們迫切需要推動針對更可持續(xù)電池的研究。這不僅是一個渴求，更是一個巨大的機會。2019年諾貝爾委員會強調(diào)：“鋰電池奠定了無線和無化石燃料社會的基礎(chǔ)”。現(xiàn)在是將這個基礎(chǔ)進一步推向可持續(xù)未來的關(guān)鍵時刻。這無疑需要一種整體的、跨學(xué)科的、泛學(xué)科的綜合方法，在更廣泛的研究社區(qū)中進行新的合作。One Earth歡迎并期待發(fā)表這一令人興奮的前沿領(lǐng)域的高質(zhì)量研究。
One Earth 3月刊已于3月18日上線
