中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)（Intergovernmental Panel on Climate Change）第六次評(píng)估報(bào)告的第二部分于2022年2月底發(fā)布，突顯了當(dāng)下應(yīng)對(duì)不斷升級(jí)的氣候危機(jī)的緊迫性。首要行動(dòng)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(guò)渡。然而，間歇性問(wèn)題和儲(chǔ)能缺口仍然是根本性障礙。長(zhǎng)期以來(lái)，各種類(lèi)型、形狀和尺寸的電池一直被認(rèn)為是解決方案，但它們價(jià)值鏈上每一環(huán)的可持續(xù)性，仍有待仔細(xì)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(lái)約占這些排放量的一半，被認(rèn)為是最容易實(shí)現(xiàn)電氣化的部門(mén)。這種“過(guò)渡可行性”反映在國(guó)際能源署的凈零能源系統(tǒng)路線圖中概述的電氣化目標(biāo)中：到2030年，60%的新車(chē)銷(xiāo)售應(yīng)為電動(dòng)汽車(chē)，到2050年，70%的電力應(yīng)通過(guò)太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電。增加儲(chǔ)能對(duì)這兩個(gè)目標(biāo)都至關(guān)重要：預(yù)測(cè)顯示，在未來(lái)8年內(nèi)，存儲(chǔ)容量需要增加30倍。
幾十年來(lái)，電池一直是領(lǐng)先的電力存儲(chǔ)技術(shù)，這得益于獲得諾貝爾2019年化學(xué)獎(jiǎng)?wù)J可的John Goodenough、M.Stanley Whittingham和Akira Yoshino在20世紀(jì)90年代初的開(kāi)展的鋰電池先鋒工作。自此，電池技術(shù)開(kāi)始出現(xiàn)在生產(chǎn)生活中的每個(gè)角落。通過(guò)其高能量密度、高存儲(chǔ)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(chē)和電網(wǎng)。長(zhǎng)期以來(lái)，鋰電池一直被認(rèn)為是解決我們能源存儲(chǔ)需求的解決方案?；诋?dāng)前的技術(shù)，如果我們能夠在2030年將鋰電池的總存儲(chǔ)容量擴(kuò)大17倍，它們將是清潔能源未來(lái)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(bào)廢電池處理，整個(gè)電池價(jià)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(guò)程可持續(xù)性不可忽視。
對(duì)電池核心特性（如能量密度、存儲(chǔ)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(duì)這些稀缺資源的過(guò)度開(kāi)發(fā)、價(jià)格波動(dòng)甚至地緣沖突——一個(gè)最近的代表性案例是2021年飛升450%的鋰價(jià)格。此外，這些原材料的儲(chǔ)量通常位于較不發(fā)達(dá)國(guó)家，關(guān)乎不可忽視的社會(huì)和道德問(wèn)題。例如，絕大多數(shù)鈷僅在剛果民主共和國(guó)發(fā)現(xiàn)，那里童工和不安全的礦業(yè)工作做法司空見(jiàn)慣。許多關(guān)鍵原材料的開(kāi)采對(duì)陸地環(huán)境也造成了相當(dāng)大的影響。近年，如Amon等人在本期Commentary中所討論的，對(duì)關(guān)鍵材料的開(kāi)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(lái)的幾個(gè)后果。
毫無(wú)疑問(wèn)，電池是我們最可行的儲(chǔ)能技術(shù)，但正如許多意圖解決社會(huì)挑戰(zhàn)卻孤立存在的解決方案一樣，無(wú)可避免地面臨權(quán)衡問(wèn)題。令人欣慰的是，越來(lái)越多的科學(xué)家意識(shí)到這些權(quán)衡，正如本月的Voices文章所示，電池研究已開(kāi)始探索更可持續(xù)的技術(shù)解決方案。大多數(shù)進(jìn)展都與改進(jìn)陰極材料有關(guān)，如使用相對(duì)而言不甚稀缺的元素（如硫、鈉和鉀）來(lái)取代更易產(chǎn)生社會(huì)環(huán)境問(wèn)題的稀有金屬（如鋰、鈷和鎳）。陽(yáng)極材料和當(dāng)前對(duì)石墨的依賴(lài)也是近年來(lái)出現(xiàn)的另一個(gè)焦點(diǎn)，無(wú)石墨甚至無(wú)陽(yáng)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(jī)電池和橡膠電解質(zhì)已經(jīng)體現(xiàn)了最近的一些進(jìn)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(jì)值不一，但鋰離子電池制造過(guò)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(gè)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(chǔ)容量來(lái)穩(wěn)定由可再生能源供電的電網(wǎng)，而此可能反過(guò)來(lái)會(huì)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(jìn)的電池化學(xué)：當(dāng)關(guān)鍵金屬被替代時(shí)，能量密度通常會(huì)受到影響。就電動(dòng)汽車(chē)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(gè)因素是電池尺寸。隨著汽車(chē)制造商尋求解決里程焦慮問(wèn)題，并為更長(zhǎng)的單次充電行程儲(chǔ)存更多能量，電動(dòng)汽車(chē)電池正在變得越來(lái)越大。然而，更大的電池往往會(huì)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(kāi)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(shí)間內(nèi)支持相同的行駛距離。在鋰電池價(jià)值鏈中，電池制造部分是復(fù)雜的，只有通過(guò)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(bào)廢的鋰電池也會(huì)產(chǎn)生可觀的環(huán)境足跡。據(jù)估計(jì)，到2030年，每年約有200萬(wàn)公噸的廢舊鋰電池。在如此巨大的待報(bào)廢電池?cái)?shù)量之外，電池內(nèi)部物質(zhì)的降解和浸出還會(huì)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(lèi)和環(huán)境健康。提高鋰電池的使用壽命和可回收性不僅對(duì)降低這些影響至關(guān)重要，而且對(duì)回收有價(jià)值的資源并進(jìn)行再利用，以及緩解開(kāi)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(huì)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(dāng)下已經(jīng)有關(guān)于改進(jìn)電池設(shè)計(jì)的進(jìn)展，以便更容易地拆卸和回收有價(jià)值的材料，或者開(kāi)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(lái)促進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而將每一個(gè)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(lái)，電池研究一直專(zhuān)注于性能——更高的能量密度、更大的存儲(chǔ)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(dòng)針對(duì)更可持續(xù)電池的研究。這不僅是一個(gè)渴求，更是一個(gè)巨大的機(jī)會(huì)。2019年諾貝爾委員會(huì)強(qiáng)調(diào)：“鋰電池奠定了無(wú)線和無(wú)化石燃料社會(huì)的基礎(chǔ)”?，F(xiàn)在是將這個(gè)基礎(chǔ)進(jìn)一步推向可持續(xù)未來(lái)的關(guān)鍵時(shí)刻。這無(wú)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(jìn)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
