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2021-11-16稀有金屬與電池回收技術,將成為形塑電動車未來的關鍵 479 期

Author 作者 編譯|李依庭。

電動車的時代已經來臨。今(2021)年上半年,美國汽車龍頭通用汽車公司(General Motors,GM)宣布將以2035年停止銷售汽車和柴油車為目標。而總部位於德國的奧迪(Audi)也計畫於2033年停止生產汽車,不僅如此,全球許多汽車公司也宣布類似的目標。

儘管未來趨勢走向由電動車主導車用市場,但是材料科學家正面臨兩大挑戰。一是如何減少電池中稀缺、昂貴金屬的使用,因為它們的開採會帶來嚴酷的環境和社會成本;另一個則是提高電池回收率,使廢棄舊電池中的有價金屬能有效回收再利用。雖然電池類型和數量會因車輛型號而異,但根據美國阿岡國家實驗研究室(Argonne National Laboratory)的數據顯示,一般來說一個汽車鋰離子電池(通稱NMC532)可能包含約8公斤的鋰(lithium, Li)、35公斤的鎳(nickel, Ni)、20公斤的錳(manganese, Mn)、14公斤的鈷(Cobalt, Co)。

近年來因為開採技術越趨純熟,再加上全球鋰產量多,使得鋰離子電池成本急劇下降。倫敦彭博新能源財經 (Bloomberg New Energy Finance, BNEF)預計至2023年,鋰離子電池的成本將比現在下降約20%。然而,隨著汽車電動化,鋰產量勢必要增加才能滿足市場需求。BNEF的分析師安波福(Kwasi Ampofo)也預估在未來10年間,鋰的需求將增長7倍,將可能導致鋰的暫時性短缺和價格波動。此外,由於目前鋰礦開採需要大量能源將鋰從岩石中提取出來,或從鹽水中萃取出鋰,因此增加鋰礦開採也將帶來更多的環境問題。

另外,研究人員也擔心電動車電池中的主要成分鎳和鈷,除了稀少性外,還有重金屬污染等問題。全球2/3的鈷產自剛果民主共和國,但當地的開採環境不佳,由於鈷是有毒的重金屬,若處理不當,可能對童工和工人的健康產生危害。因此,為了解決原材料問題,許多實驗室一直在嘗試使用低鈷或無鈷的電池。德克薩斯大學奧斯汀分校(University of Texas in Austin)的材料科學家曼蒂拉姆(Arumugam Manthiram)表示,完全不使用鈷會降低電池的能量,因為它會改變晶體結構及與鋰結合的緊密程度。

鎳雖然不如鈷昂貴,但也不便宜。因此科學家也想減少鎳的使用。美國勞倫斯伯克利國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory, LBNL)的材料科學家塞德(Gerbrand Ceder)表示,若要同時去除電池中的鈷和鎳,需要轉換為完全不同的晶體結構,其中一種方法是採用立方晶體,且結構類似於氯化鈉的無序岩鹽(disordered rock salts)材料。

在提高電池回收率方面,現階段除了稀有金屬,開採一般金屬的成本比回收得更低,因此如何吸引業者使用回收電池再行製造,也是電動車發展的關鍵。儘管歐盟委員會(The European Commission)已提出電池回收的口號,表示將從2023年開始逐步實施,且美國總統拜登(Joe Biden)也預計花費數十億美元著手培育國內電動車電池製造業回收技術,但在各國回收技術尚未純熟之下,如何降低成本使回收具競爭力仍是一大考驗。

 

新聞來源
Davide Castelvecchi, Electric cars and batteries: how will the world produce enough?, Nature,2021/8/17.