Nature发文再度呼吁:关注锂电回收!

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电池是人类未来发展的关键,但它们带来的环境问题和人力成本必须降低。

Nature发文再度呼吁:关注锂电回收!
大约70%的钴是在刚果民主共和国开采的,那里的工人包括儿童和家庭,工作条件不安全。资料来源Sebastian Meyer/Corbis News/Getty

低碳的未来依赖于一项重要的、但仍存在问题的技术-锂离子可充电电池已经广泛应用于笔记本电脑和智能手机的锂离子可充电电池将成为电动汽车和许多其他产品的“跳动的心脏”。同时,它们还需要帮助世界电网供电,因为太阳能和风能等可再生能源仍然不能一天24小时不间断的提供能源。锂离子电池市场预计将从2017年的300亿美元增长到2025年的1000亿美元。

但这种增长本身并不是无代价的,正如《自然评论材料》(Nature Reviews Materials)在最近的一系列文章中所探讨的。锂离子技术对人类和地球都有弊端。提取原材料(主要是锂和钴)需要消耗大量的能源和水。此外,工作发生在矿场,那里的工人(包括7岁的儿童在内)往往面临不安全的环境

政策制定者、行业领导者和研究人员需要迅速缓解这些问题,以减少项重要技术带来的意外后果。需要进一步研究的一项关键干预措施是电池的再利用,而不是将其回收或扔进垃圾填埋场。

世界上大约三分之一的锂(电池的主要成分来自阿根廷和智利的盐滩,在那里,材料的开采需要在一个原本干旱的地区使用大量的水。电池级的锂也可以通过将材料暴露在非常高的温度下生产,这一方法在中国和澳大利亚使用,但这一方法同时伴随着大量能源的被消耗。但也有一些可以更可持续地提取锂方法:例如,在德国和英国,试点项目正在尝试从花岗岩岩石下的热盐水中过滤锂。

钴是电池电极的一个重要组成部分,但大约70%的钴元素仅存在于一个国家刚果民主共和国。刚果民主共和国大约90%的钴来自其工业矿山(每年9万吨)。但在一个人均年收入不到1200美元的国家,全球对钴的需求吸引了数以千计的个人和小企业,这些人被称为手工矿工,雇佣童工和不安全的工作方式比比皆是

化学家们正在研究如何用更丰富的金属如铁或锰来替代钴(J. V. Laveda et al. Chem. Commun. 52, 9028–9031 (2016); R. Sharpe et al. J. Am. Chem. Soc. 142, 21799–21809; 2020)但国际特赦组织(Amnesty International等人权组织表示,不要因为在安全的条件下提供就业机会而放缓对刚果民主共和国现有工业的清理。

许多国家都意识到,采矿需要通过负责任的和更可持续的方式进行。然而,一些国家正在倡导的政策,特别是在电池回收方面,有可能对环境产生不利影响。

例如,欧盟要求公司在电池寿命结束时收集电池,并将其重新使用或拆解回收。目前的要求是收集欧盟45%的废旧电池,但其中很少是锂离子电池。部分原因是这些电池通常内置在它们所驱动的设备中,很难拆卸,或者设备本身很有价值,这意味着它们很可能被出口转售,然后在没有报道的情况下从欧盟消失。同时,欧盟正在考虑在2030年前实现70%的电池回收目标。此外,它希望到2030年,欧盟制造的新电池中有4%的锂来自回收材料,到2035年增加到10%。

这种要求可能会产生意想不到的后果。随着电池的改进,它们的使用寿命会变得更长。但是,如果欧盟规定了更高的收集率,公司可能会感受到压力,为达到收集的目标数量,而被迫提前停止使用仍具有使用寿命的电池。

同样,强制要求在锂离子电池中加入更多的回收材料可能会产生不良后果。可回收材料已经出现了短缺。因此,为了满足新的回收规则,欧洲的制造商可能会反过来需要进口回收材料,特别是从中国进口,因为中国和韩国已经成为全球重要的电池回收中心。这将产生相当大的碳排放量还有一个风险是,由于没有足够的回收材料可用,电池生产将停滞不前

电池再利用是一个潜在的解决方案,更多的国家应该考虑再利用的目标,尽管这还不是欧盟提案的一部分。虽然电池最终均会被完全耗尽,但正如德国弗劳恩霍夫材料研究所的Anke Weidenkaff和她的同事们所报道的那样,许多电池只是在某种特定用途(如为汽车供电)中变得效率低下时才被淘汰,但在可再生能源存储等密集度较低的应用中,它们仍有足够的寿命A. Weidenkaff et al. Nature Rev. Mater. 6, 462–463; 2021)。

如果没有对电池重复利用和再利用的激励措施,将电池焚烧或送往海外回收将仍是更经济的做法。因此科学家需要转变思维:在设计材料时应该考虑材料如何回收、再利用和重新利用。

电池对地球的低碳未来至关重要。确保它们的清洁、安全和可持续发展符合每个人的利益。

https://www.nature.com/articles/d41586-021-01735-z

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