鋰離子電池的開發背後的環境問題

鋰離子電池在為當今世界提供動力方面發揮了不可或缺的作用-但對環境的影響仍存在質疑。

現年97歲的John B Goodenough成為有史以來年紀最大的諾貝爾獎獲得者，他與研究人員M Stanley Whittingham和Akira Yoshino共同獲得了900萬瑞典克朗（合904,000美元）的獎金。

諾貝爾委員會說：「鋰離子電池在全球範圍內用於為可攜式電子設備提供動力，這些可攜式電子設備用於我們交流，工作，學習，聽音樂和尋找知識。」

儘管獲得了好評，但鋰離子電池還是受到了批評。

鋰離子電池與其他電池有何不同？

電池是在21世紀生活中不可或缺的一部分，以一個方便、便攜的提供電力。

但是，包括鉛酸和鎳鎘在內的許多電池的主要缺陷是，它們往往會相對較快地耗盡電量，最終被扔掉。

根據美國環境保護署（EPA）的數據， 僅美國每年就丟棄超過30億個電池。

這意味著，受到影響的不僅是普通人的腰包，還包括環境。

此時，可充電電池（如使用活性鹼金屬鋰的諾貝爾獎獲得者）努力解決了該問題。

正是在1970年代的全球石油危機期間，鋰離子電池才奠定了基礎，當時出生於諾丁漢的M Stanley Whittingham致力於開發不依賴化石燃料的能源技術。

構造完陰極（鋰電池的正極端子）後，Whittingham然後用金屬鋰製成陽極（電池的負極端子）。

最終的設備能夠釋放超過2伏的電壓，但考慮到金屬鋰使其具有爆炸性，John B Goodenough於1980年決定使用氧化鈷將電池的電勢提升至4伏。

以陰極為基礎，吉野彰（Akira Yoshino）於1985年製造了首個商業上可行的鋰離子電池，導致索尼在1991年發布了該產品的第一版。

化學教授奧洛夫·拉姆斯特倫（OlofRamstrm）最近表示，鋰離子電池「推動了移動世界的發展」。

如今，如果沒有鋰離子電池的供電，從智慧型手機，iPad和筆記本電腦到電動汽車的所有產品將無法實現。

但是，隨著世界走向更綠色的未來，關於電池是否應繼續扮演重要角色，已經面臨著很多問題。

鋰離子電池對環境的影響問題

電網規模存儲和價格

鋰離子電池的價格可能會成為電網規模存儲中電池電量使用的絆腳石

圍繞鋰離子電池是否可用於大型電網規模的存儲，以試圖清理電網並替代化石燃料工廠，存在著巨大的問號。

儘管這可能是最好的經濟解決方案，但圍繞電網規模存儲的鋰離子電池，未來的主要問題是所涉及的成本。

《能源與環境科學》雜誌於2018年初進行的一項研究發現，為了滿足美國80％的風能和太陽能電力需求，將需要一個全國性的高速傳輸系統來平衡數百英裡內的可再生能源或整個系統12小時的電量存儲。

以目前的價格計算，這種規模的電池存儲系統的成本將超過2.5億美元。

麻省理工學院（MIT）和芝加哥大學的阿貢國家實驗室（ARA）於2016年發表的一份有關儲能在電力行業脫碳中的價值的報告發現，使用電池進行電網規模儲藏存在潛在的問題。

該研究發現，當向電網添加大量電池時，收益將急劇下降。

結論是，將電池存儲與可再生能源工廠相結合是大型，靈活的煤炭或天然氣聯合循環電廠的「弱替代品」 –可以隨時利用，連續運行並改變輸出水平以滿足不斷變化的需求。

汙染河流並殺死野生動物

四川甘孜州榮達鋰礦周邊地區報導了嚴重的問題。

在發現附近有荔枝河的魚被礦山中有毒化學物質洩漏致死，近年來，該地區的採礦活動急劇增加，僅在七年內就導致了兩次類似事件。飲用汙水後，魚類和其他牲畜被發現死亡。

南美洲的環境問題

阿塔卡馬採礦消耗65％的水，造成破壞

智利是僅次於澳大利亞的全球第二大鋰生產國，也正感受到採礦的影響。為了開始運營，礦工在鹽層中鑽孔，以將鹹的、富含礦物質的鹽水泵送到地表。然後將孔保留長達18個月的時間，以便液體可以蒸發，然後再返回以收集碳酸鋰，然後可以將其轉變為金屬鋰。破壞了當地的棲息地，汙染了附近的草原和河流。

但是，智利的主要問題之一是鋰礦開採所消耗的水。每生產一噸鋰，將使用190萬升水。在阿塔卡馬（Salar de Atacama），採礦活動消耗了該地區65％的水，給當地農民造成了嚴重破壞。

在南美其他地方，薩拉爾·德·洪比爾·穆爾託天然鹽田的阿根廷人對該地區的鋰開採表示擔憂，理由是對溪流的汙染和農作物的灌溉。有報導說，鋰作業也正在破壞該地區農民用來放牧牲畜的土壤。

歐洲地球之友慈善組織關於鋰的報告說：「鋰的提取具有重大的環境和社會影響，特別是由於水汙染和枯竭。此外，處理鋰還需要有毒化學物質。通過淋濾、溢出或空氣排放釋放此類化學物質可能損害社區，生態系統和糧食生產。鋰的提取不可避免地會損害土壤，還會造成空氣汙染。」

回收問題

吉野彰（Akira Yoshino）在獲得諾貝爾獎之後，承認電動汽車未來的關鍵是弄清楚如何完全回收電池。

日本化學家還透露，回收電池是確保獲取足夠的原材料以推動電動汽車需求激增的關鍵。

吉野在接受彭博社採訪時說：「關鍵是電動汽車電池是否可以回收。如果在日本收集並處理所有廢舊電池，那麼應收回成本。。」

作為英國政府耗資2.46億英鎊（3.12億美元）的法拉第電池研究的一部分，伯明罕大學正在嘗試尋找回收鋰離子的新方法。

澳大利亞的研究發現，該國3,300噸鋰離子廢物中只有2％被回收利用。

這也可能導致電池中的液體洩漏到填埋場並釋放到環境中。

法拉第機構鋰回收項目的Gavin Harper博士對《連線》雜誌說：「可以理解的是，製造商對於電池中的實際成分是保密的，因此很難對其進行適當的回收。」

從設備和電動車輛回收回收的鋰電池的最常見程序是將電池切碎，這會形成金屬混合物，然後可以使用燃燒技術將其分離。但是使用這種方法浪費了很多鋰。

鋰離子電池的道德問題

剛果民主共和國開採鈷

剛果鈷開採危險工作條件

對於電池的製造至關重要，淺銀金屬鈷引起了全世界的關注，並成為確定未來的某些行業的中心。

鈷是鋰電池單元中必不可少的元素，與鋰，鎳和錳一起，構成了電池單元陰極的金屬氧化物漿液，從中可以產生電能。

例如，製造一輛電動汽車大約需要10kg的寶貴資源，但如果沒有它，電網規模的電池存儲的可行性就會受到嚴重影響。

世界上約有70％的鈷來自剛果民主共和國（DRC），那裡有許多有關方面都在為控制採礦活動進行激烈的競爭。

Benchmark Mineral Intelligence高級分析師Casper Rawles指出了一個主要問題，指出沒有DRC鈷就不會有電動汽車產業，但該地區是全球政治上最不穩定，最動蕩和最危險的地區之一。

在DCR之後，古巴的鈷產量僅佔全球的5％，僅次於美國，尤其是在美國醒悟之時，儘管投資正緩慢地流入愛達荷州，阿拉斯加和澳大利亞，以從鎳礦中提取鈷，古巴仍領先於世界其他地區。。

目前，鈷的價格每公斤比鋰高30％左右，是鎳的兩倍。

因此，由於這個原因，再加上供應風險，以特斯拉，豐田和寶馬為首的汽車製造商開始與電池供應商合作，以減少電池中的鈷含量，甚至完全用鎳替代品來代替鈷。

但是後者的化學性質會縮短電池的壽命，而前者則引起人們對即使在當前鈷含量水平下電池所構成的燃燒危險的普遍關注。

未來鋁能代替鋰離子電池嗎？

瑞典和斯洛維尼亞的研究人員說，它的能量密度是以前的鋁電池的兩倍，而與當今的鋰離子可充電電池相比，它可以降低生產成本並減少對環境的影響。

他們認為它可以用於大規模應用，包括太陽能和風能的存儲。

瑞典查爾默斯理工大學物理系教授Patrik Johansson領導了該項目。

他說：「我們從新概念中設想的材料成本和環境影響要比今天所看到的要低得多，這使得它們對於大規模使用是可行的，例如太陽能電池公園或風能存儲。此外，與當今最先進的鋁電池相比，我們的新電池概念具有兩倍的能量密度。」

以前的鋁電池設計使用鋁作為陽極-負極-和石墨作為陰極或正極。但是石墨提供的能量含量太低，無法製造出具有足夠有用性能的電池。

詹森教授位於哥德堡的研究小組與斯洛維尼亞盧布爾雅那國家化學研究所的一個研究小組一起創造了新的鋁電池。在他們的概念中，石墨已被由碳基分子蒽醌製成的有機，納米結構的陰極所取代。陰極材料中這種有機分子的優勢在於，它可以存儲來自電解質（離子在電極之間移動的溶液）中的正電荷載流子，從而可以提高電池的能量密度。