未來10年百萬顆退役 電動車電池循環再生三面向( 08/25/2021 EIC環境資訊中心)
(綜合外電;姜唯 編譯;林大利 審校)隨著車廠和政府承諾增加電動車數量,預計到2030年將有1.45億輛電動汽車上路。雖然電動汽車可以在減少排放方面發揮重要作用,但它們也帶來潛在的環境定時炸彈——電池。
根據估計,從現在到2030年之間,將有超過1200萬噸的鋰電池退役。這些電池不僅使用大量的原材料,包括鋰、鎳和鈷,而且採礦可能影響氣候、環境和人權。電池的壽命結束時也會成為堆積如山的電子垃圾。
專家表示,隨著汽車業開始轉型,現在該規劃電池如何壽終正寢,減少對採礦的依賴並保持材料的循環流通。
電動車電池第二春
數億美元的資金正挹注回收相關的新創公司和研究中心,以找出如何拆卸廢電池和大規模提取有價值金屬的方法。
世界經濟論壇循環經濟專案負責人彭寧頓(James Pennington)說,如果我們想用有限的材料做更多事情,回收不應該是第一個解決方案,「首要最佳辦法是延長使用時間。」
隆德大學環境政策學者里希特(Jessika Richter)表示:「電動汽車電池首次退役時,其實還有很多電池容量。這些電池可能不再能夠推動車輛,但還可以儲存太陽能或風電場產生的電力。」
幾家公司正在進行試驗。能源公司Enel Group正在西班牙梅利利亞的一個獨立於國家電網的儲能設施中,使用從日產Leaf汽車退役的90顆電池。在英國,能源公司Powervault與法國車輛製造商雷諾合作,將退役電池用於家庭儲能系統。
建立鋰離子電池的第二春還有另一個好處:取代有毒的鉛酸電池。非營利組織Pure Earth的負責人富勒(Richard Fuller)說,只有大約60%的鉛酸電池用於汽車,另外有20%用於儲存太陽能,主要是在非洲國家。
富勒說,鉛酸電池在溫暖的氣候下通常只能使用兩年左右,因為熱會使它們劣化得更快,因此時常需要回收。然而,在非洲很少有設施可以安全地做好這件事。
相反地,這些電池經常在住宅後院裂開、熔化,使回收者及其周圍環境暴露於鉛,而鉛是一種沒有已知安全水準的強效神經毒素,會損害兒童的大腦發育。富勒表示,鋰離子電池是一種毒性更低、壽命更長的儲能替代品。
鋰離子電池回收競賽
彭寧頓說:「當電池真正用完的那一天,就該回收它了。」
鋰離子電池回收業背後有很大的力量在推動。特斯拉8月發表的衝擊報告中宣布,該公司已開始在內華達州的超級工廠建立回收設施,以處理廢電池。
附近的紅杉材料(Redwood Materials)由特斯拉前技術長史特勞貝爾(JB Straubel)創立。該公司在內華達州卡森市展開業務,7月份籌資超過7億美元,還計畫擴大業務。紅杉材料的工廠接收廢電池,提取銅和鈷等有價值的材料,然後將精煉金屬送回電池供應鏈。
然而,雖然電池回收變得越來越主流,重大的技術挑戰依然存在。
其中之一是回收商必須破解其複雜設計,以獲取有價值的組件。英國電池製造新創Aceleron聯合創辦人康明斯(Carlton Cummins)表示,鋰離子電池的設計很少考慮可回收性,「這就是回收商痛苦之處。他們很想做這樣的工作,但只有在廢電池送到達家門口時他們才能獲得相關資訊。」
康明斯和另一位聯合創辦人強丹(Amrit Chandan)特別指出一個設計缺陷:組件的連接方式。康明斯說,大多數組件都焊接在一起,這有利於電氣連接,但不利於回收利用。
Aceleron的電池用鎖固的方式將組件的金屬端點緊壓在一起,日後可以鬆開完全拆解,或移除和更換單個故障組件。
簡化拆卸也有助於減輕安全隱患。鋰電池處理不當可能會造成火災和爆炸風險。「如果能把它拆解成小組件,可保證不會傷害任何人,」康明斯說。
待改變的回收系統
即使解決了技術挑戰也無法保證成功。歷史上,建立妥善運作的回收業困難重重。
例如,鉛酸電池的回收率很高,部分原因是法律要求——汽車電池中多達99%的鉛被回收。但是,若最終經手的是不當的回收設施時,就會產生污染的可能。廢電池最後通常會交給個體戶回收商,因為他們支付的金額可能比正規回收商更高,後者必須承擔更高的營運成本。
鋰電池的毒性或許較低,但它們最終仍需要安全的回收處理。 「產品往往會往阻力最小的路線流動,所以必須讓正規處理路線阻力更小,」彭寧頓說。
立法可以提供一些幫助。雖然美國尚未實施強制要求鋰電池回收的聯邦政策,但歐盟和中國已經要求電池製造商支付建立收集和回收系統的費用。彭寧頓說,這些資金可以幫助補貼正規的回收商,使他們更具競爭力。
去年12月,歐盟提議全面修改其電池法規,其中大部分針對鋰電池,包括電池回收率要達70%,鈷、銅、鉛和鎳回收率要達95%,鋰回收率70%,以及2030年新電池中回收含量的強制性最低水準,以確保回收商有市場,並使它們免受商品價格波動或電池化學成分變化的影響。
里希特說:「這些法案還沒完全成型,但已經相當積極。」
資料也是一個辦法。歐盟和公私合作的全球電池聯盟(Global Battery Alliance, GBA)都在研究電池的「數位護照」,一種包含其整個生命週期資訊的電子紀錄。「我們正在考慮使用QR code或無線識別檢測設備。」GBA電池護照計畫負責人弗倫(Torsten Freund)說,如此可以報告電池的健康狀況和剩餘容量,讓汽車製造商用於再利用或回收設施。有關材料的資料可以幫助回收商了解鋰電池的無數化學成分。一旦回收變得更加普遍,護照還可以顯示新電池中回收成分的含量。
里希特說,另外值得注意的是,永續交通不僅僅是電動汽車,步行、騎自行車或乘坐公共交通工具不應被忽視。「重點是,我們可以在非永續的系統中擁有永續的產品。」
參考資料
衛報(2021年8月20日),Millions of electric car batteries will retire in the next decade. What happens to them?
https://www.theguardian.com/environment/2021/aug/20/electric-car-batteries-what-happens-to-them
完整內容請見:
https://e-info.org.tw/node/232064
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鉛酸電池爆炸 在 李開復 Kai-Fu Lee Facebook 的精選貼文
30歲轉行是失敗者?97歲諾獎得主的一生
誰說改變世界的都是年輕人?
今年的諾貝爾化學獎獲得者John B. Goodenough以他的傳奇經歷給出了答案。30歲入行,年過半百才正式研究電池材料,97歲時收穫諾獎,依舊活躍在科研一線。
今天與大家分享他的勵志故事。
來源丨量子位(ID:QbitAI)
97歲,他還奮戰在科研一線。
John B. Goodenough,人稱“足夠好”老爺爺,近日加冕諾貝爾獎。
10月9日,2019年諾貝爾化學獎頒向鋰電池領域。
Goodenough與M. Stanley Whittingham,以及日本科學家吉野彰(Akira Yoshino)共用了這一獎項。
以表彰他們在鋰離子電池領域作出的貢獻。
諾貝爾評獎委員會稱,三人的研究使鋰電池的使用方式更加穩定,從而開啟了電子設備便攜化進程,為打造一個無線互聯的社會奠定基礎。
引用果殼更科普化的解釋,如果沒有他們,我們每天形影不離的手機就是個隨時可能點燃的炸藥包。
而且Goodenough今年加冕,也刷新諾貝爾獎新紀錄——以97歲高齡,成為最年長的諾貝爾獎得主。
在此之外,他還是美國國家工程院、美國國家科學院、法國科學院、西班牙皇家科學院、英國皇家學會會員,撰寫了超過550篇文章、參與85本著作的編寫,是2009年費米獎得主、2017年威爾齊化學獎得主,還獲得了英國皇家學會的科普利獎章。
但這還不是Goodenough令人稱奇、敬佩的全部。
當他獲獎,外界關注他的履歷,才發現其充滿坎坷和跌宕的一生,簡直就是傳奇的一生、榜樣的一生,勵志的一生。
很難想像,這位鋰電池之父患有閱讀障礙症,成長家庭並不和睦,大學歷經二戰,30歲才拿下博士學位,年過半百才正式研究電池材料。
之後一路開掛,58歲發明鈷酸鋰電池改變世界,75歲以磷酸鐵鋰電池再度改變世界,90歲以後開始研究全固態電池。
至今如此高齡,依舊每週上班5天,仍舊有新研究成果問世。
如果你會有“現在做XX是不是太晚”的疑惑,一定要看看Goodenough這傳奇的一生。
┃如何成為鋰電池之父?
我們先從Goodenough如今成名作說起,看看他的科研之路。
Goodenough的博士本身讀的是固態物理,30歲從芝加哥大學博士畢業,之後去了MIT林肯實驗室,研究記憶體的材料物理和固態陶瓷。
24年之後,Goodenough進行了人生第一次“跳槽”。
那年,牛津大學需要一位能教無機化學,同時也能管實驗室的教授。
Goodenough雖然研究的是物理,但他本科的時候為了湊學分學了兩門化學課,就因此意外的被選中了,進入牛津大學任教,並成為無機化學研究負責人。
正是這一次跳槽,讓Goodenough終於在54歲的年紀開始了一項改變世界的研究。
Goodenough在牛津主要研究的課題是可用於能量轉換的新材料。當時他初到英國,英國化學家、和他一起獲得諾獎的Stanley Whittingham發明了最早的可充電鋰電池,借助鋰能嵌入二硫化鈦層間這一特性,用二硫化鈦做正極,用鋰做負極。
當時的消費電子產品只能使用不可充電的碳鋅電池,雖然已經有了可充電的鉛酸電池,但畢竟用在電動車上的鉛酸電池那麼笨重,是沒法拿來做消費電子產品的。
而Whittingham的這項研究,不僅可以靠鋰離子的運動進行充電,還能用在小型設備上,並在室溫下運行,解決了兩種電池的痛點。
但Whittingham的研究是沒法直接用的,因為有一個大bug:安全問題。
正極,二硫化鈦,在空氣中是非常不穩定;
負極,鋰,這種金屬是易燃;
而且,在充放電過程中,鋰會快速沉積產生枝晶,這樣就容易讓電池短路,這也是現在電動車自燃的元兇之一。
所以Whittingham發明的這種電池雖然原理可行,但容易爆炸,是個危險品,完全沒法應用,需要把正負極的材料都換掉才行。
這個時候,學了30年物理的Goodenough有了一個大膽的想法:把鋰換成氧化物吧。
他判斷,氧化物可以讓電池在更高的電壓下進行充電和放電,根據物理學原理,這種電池會產生更多的電量,並且揮發性會更小。
於是他測試了各種氧化物,發現如果把鈷這種元素放進去會比較穩定。
終於,在Goodenough到達牛津的四年後的1980年,57歲的他和水島公一、Philip Jones、Philip Wiseman共同發現了鈷酸鋰這種物質,讓Whittingham的鋰電池變得穩定多了。
在他的實驗室外面,英國皇家化學學會樹立了這塊藍色的牌子,紀念鈷酸鋰的發現。
不過,鈷酸鋰中的鋰和金屬鋰的化合價是不同的,鈷酸鋰在電池裡是一種正極材料,為了湊成一塊電池,還需要找一種負極材料。
這個時候,日本的索尼出現了,他們發現了石墨可以拿來做負極材料。
然而在英國,因為此前發生過爆炸事故,大家聞鋰電池色變,甚至Goodenough工作的牛津都不願意幫忙申請專利,而是讓英國原子能研究機構申請到了這個專利,後來被索尼買走。
於是,索尼成功接下了這個“燙手山芋”,並和自己研發的負極材料放在一起,創造了新的電池,並將之商業化,用在了各種各樣的電子產品中。
而Goodenough,甚至沒有從如今這價值350億美元的鋰電池市場中賺到錢。不過他本人後來在接受c&en採訪的時候反而很淡定:“我當時並不知道它會值這麼多錢。”
雖然在57歲才發現了讓他名聲大噪的鈷酸鋰,但Goodenough似乎就是一個耐久型選手,後來還發現了許多種電池材料:1983年,61歲的他發現錳尖晶石正極材料;1997年,75歲的他發現磷酸鐵鋰正極材料,這些都是電池正極的升級替代品。
甚至,為了持續做研究,他還打了牛津退休政策的擦邊球。
本來,牛津大學要求65歲強制退休的,但Goodenough不想退休,於是他在64歲的時候又跳槽了。
這次,他回到了美國,在德州大學奧斯丁分校當機械工程和材料科學教授,繼續做研究。
┃閱讀障礙症患者,文學少年讀物理PhD
Goodenough出生於1922年,這是一個科學蓬勃發展的時代。
在這一年,法國醫生卡雷爾發現白血球,加拿大科學家班廷製成人造胰島素。
波爾因關於原子結構以及原子輻射的研究獲得諾貝爾獎。
之後,費米、薛定諤等量子物理領域的大佬開始展露鋒芒。
兒時的Goodenough,雖然家就在耶魯附近,不過出生在了一個學文科的家庭,似乎離這些自然科學家們有些距離。
但數十年後,他也將成為他們中的一員。
當時,擺在他面前的,是怎麼克服自己的閱讀障礙症。因為閱讀障礙症,在小學和中學時代,他受到了不少同學的戲弄。
但在求學過程中,他也慢慢從大自然,以及詩歌和宗教哲學中獲得了力量,贏得了學校的獎學金。
1940年,18歲的Goodenough考入了耶魯大學。
對於他來說,這種對家庭的逃離讓他松了口氣,因為他父母關係並不好。
就在考入耶魯大學之前,他的父母離婚了。他父親(歷史教授)很快就與自己的研究助手成婚。
這個環境讓他頗感壓抑,而且他與自己父親的關係並不怎麼好。
他去耶魯讀書的時候,只從家裡拿到了35美元的資助,而耶魯的學費至少每年900美元。
好在他有獎學金,校長還幫忙安排他去給有錢人家的孩子當家教,靠著半工半讀養活自己,他再也沒問家裡要一分錢。
用Goodenough的原話說,就是“每週工作21個小時掙自己的21頓飯。”
進入耶魯之後,Goodenough還是遵循著自己的興趣,先是選了古典文學,後來轉到了哲學,期間還學習過化學。
之後,在一名教授的建議下選擇了數學專業,並堅持了下去。
但這一路也頗為坎坷,就在讀大學的第二年,珍珠港事件爆發了。
Goodenough選擇了主動申請服役,三年後才回到耶魯大學完成了學業。
畢業之後,他再度返回戰場,加入了美國空軍。
本打算和朋友一樣去報海軍陸戰隊,中途被數學老師叫去說“不要當大兵,我們需要懂數學的人做戰爭氣象預報”,於是沒有上前線,而是負責在一個太平洋的海島上收集資料。
1946年,Goodenough迎來了命運的轉折。當時,美國政府出資,選派軍人去深造,獲得了耶魯大學教授推薦的Goodenough就在其列,他可以選擇在芝加哥大學或西北大學學習物理或數學。
經過重重考慮,他決定前往芝加哥大學攻讀物理學博士。
之前就想過考物理研究生,但被管學生註冊的人告知,物理學裡所有厲害的東西,人家在你這個年紀都已經搞完了,你現在才想著開始啊?
最終,他還是考上了芝大物理系,當時是恩裡克·費米在管,據說費米一上來就給新生安排了一個32小時的超級大考試,每天8小時,連考4天。
第一次考掛了,於是又考了第二次才過,總計64小時。
其後師從著名物理學家齊納,他30歲時發明齊納二極體。
在芝加哥這幾年,他主要的研究固態物理學,並打下了堅實的理論基礎,對於自己人生方向也有了新的思考。
在他求學期間,齊納也給他提供了很大的幫助,他曾對Goodenough說:“你有兩個問題,第一個問題是找到問題,第二個問題是解決問題……”
這一理念,對Goodenough產生了很大的影響。
30歲獲得物理學博士學位之後,經過在MIT的工作以及自身的理解,在牛津大學他選定了自己的方向——電池材料,並一直堅持了下去。
┃還能再戰,不想退休等死
直到現在,他還在科研一線繼續解決“問題”。
2018年,Goodenough接受媒體採訪時也談到了自己的問題,他說:
“我想解決汽車的問題,我想讓汽車尾氣從全世界的高速公路上消失。我希望死前能看到這一天,我今年 96 歲,還有時間。”
而且,解決問題並不僅僅只是靠口號。
Goodenough仍舊活躍在科研前線,就在最近,他和自己的團隊還發現了一種用於鈉離子電池的新型安全正極材料。
並仍舊有作品發表,比如這篇:
J.B. Goodenough, Personal journey into solid state chemistry, Journal of Solid State Chemistry 271 (2019) 387–392.
(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022459618305607 )
就在幾個月前,他還在採訪中說:
我不想退休等死,我想努力奮鬥,我相信我們正在做的事情是非常重要的。
這些重要的事情有很多,比如他嘗試用自然界中存量更多的鈉代替鋰作為電池材料,以降低電池的成本。
再比如,如何用金屬鋰做正極,製造出更強大的電池。
還有電解質方面,Goodenough也在嘗試用玻璃固態電解質做出更安全的電池。
據說,“足夠好”老先生現在依舊精力充沛,有人在知乎上回答說,整個走廊都能聽到他爽朗的笑聲。
嗯,足夠好,還會更好。
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