Lentis/电动汽车中的锂离子电池

简介

全球气候变化危机优先考虑从交通运输领域中的化石燃料向可再生能源的过渡。近年来，特斯拉公司、通用汽车公司、日产汽车株式会社和宝马汽车公司（BMW）等主要制造商在电动汽车开发方面取得了快速发展。本 Lentis 案例研究章节将提供电动汽车的历史背景，并分析与在流行电动汽车中发现的锂离子电池的生产、使用和处置相关的环境和社会影响。

历史

纵观时间轴的电动汽车

电动汽车最早出现在 19 世纪后期，当时科学家们对早期的电池和电动机进行了实验。 在美国，爱荷华州得梅因的威廉·莫里森被认为是在 1890 年开发出第一辆成功的电动汽车，获得了电动电流调节器和改进的蓄电池板制造工艺的专利。莫里森电动汽车有六个座位，24 个电池，4 马力，最高速度为 14 英里/小时，行驶里程为 50 英里。 从 1890 年代到 20 世纪初是电动汽车的黄金时代。蒸汽机需要很长的启动时间，而汽油车需要换挡并且会排放尾气。电动汽车的衰落始于 1908 年，当时更便宜的福特 T 型车问世，以及道路的改善和德克萨斯州的石油热潮。由于汽油价格上涨和环境问题，电动汽车在 1970 年代重回市场。这最终导致了现代电动汽车和混合动力汽车的发展。

锂离子电池的发展

19 世纪后期，早期的电动汽车使用的是加斯顿·普兰特在 1859 年发明的可充电铅酸电池。电池技术的进步提高了铅酸电池的性能和充电速度，但它们的比能量差导致了替代解决方案的出现。镍镉电池等重量更轻的电池在 1960 年代得到应用，但锂离子电池最终因其优异的性能和重量轻而成为现代的标准。 约翰·B·古迪纳夫、M·斯坦利·惠廷汉姆和吉野彰的发现导致了早期商业锂离子电池的诞生，并于 2019 年获得了化学诺贝尔奖。古迪纳夫在钴作为关键成分方面进行了实验，钴至今仍在使用。吉野用石油焦代替锂金属，大大提高了稳定性。如今的科学家们正在努力使锂离子电池更安全、更持久，并提高其能量密度。 2008 年，特斯拉 Roadster 成为第一款使用锂离子电池的电动汽车，也是第一款续航里程超过 200 英里的电动汽车。

锂离子电池的基础知识

组件

锂离子电池由负极、正极、电解质、隔膜和两个集流体（正极和负极）组成。负极和正极储存锂；正极在电池充电时释放锂离子，而负极在放电时释放锂离子。电解质是一种液体，充当锂离子的运输工具。隔膜允许离子从负极自由地流向正极，反之亦然。正极集流体在放电期间从电路接收电子，而负极集流体在充电期间接收电子。

在材料方面，正极由层状氧化物组成，通常含有钴和镍，因为它们的稳定性很高。然而，钴有毒，其开采充满了侵犯人权的行为。负极通常由锂制成，锂具有良好的电荷密度，但存在循环和短路问题。电解质有许多变体，但性能最好的溶剂易燃，存在安全风险。

化学

锂离子电池因其高功率重量比而成为 EV 中最常见的电池。锂离子电池有许多不同的衍生产品，每种衍生产品都有不同的正极材料，以提高效率、功率输出和使用寿命。目前最常见的锂离子电池是锂镍锰钴氧化物 (NMC)、锂镍钴铝氧化物 (NCA) 和锂锰氧化物 (LMO)。雪佛兰 Bolt 使用 NMC 电池，总容量为 60 kWh。特斯拉 Model 3 使用添加了锰的 NCA 电池，以提高效率，其容量为 75 kWh。 日产 Leaf 和宝马 i3 都使用 LMO 和 NMC 的组合来优化性能，其容量分别为 30 kWh 和 42 kWh。

LMO 电池中的锰成分具有非常好的热稳定性，这提高了电池的安全性。它提供高速率的充放电，但容量和寿命较低。 NMC 电池的设计目的是为了实现高比能量或功率，并具有高密度。 这些电池通常使用镍、锰和钴的 1-1-1 比例作为正极，但此比例可能因制造商而异。 NMC 电池通常与 LMO 结合使用，这种组合可以得到具有高功率（LMO）和长续航里程（NMC）的电池。 NCA 电池具有与 NMC 电池相似的特性，具有高比能量和功率以及长寿命。但是，它不像其他类型电池那样安全，而且制造成本更高。

环境影响

生产

刚果生产了全球 60% 的钴。虽然大多数钴来自大型露天矿，但全球钴产量的 10%-25% 来自刚果的传统矿。 由于刚果缺乏监管和传统矿的规模巨大，即使在矿区以外的地区，重金属污染也很普遍。钴通常与其他有毒重金属（如铅和镉）一起存在，这些重金属在被开采到地表后会渗入水道和大气中。目前缺乏关于长期钴暴露对健康影响的研究；然而，现有研究发现，居住在矿山附近的个体尿液中钴浓度是美国普通公民的 43 倍，这是有史以来报道的最高浓度。 随着全球对钴需求的增加，重金属浓度预计会上升，其后果将变得明显。全球锂储量的 80% 位于阿根廷、玻利维亚和智利：锂的“ABC”。为了开采这种“白色黄金”，矿工将盐水泵入包含锂的盐湖的各个部分。水会在几个月内蒸发，浓缩的液体被泵送到加工厂。

盐水所用的水来自沙漠地区地下的含水层，这给当地的地下水供应带来了巨大压力。每生产 1 吨锂大约需要 50 万加仑水，占阿塔卡玛盐湖水资源利用的 65%，智利最重要的锂开采地区。 由于含水层中的水被抽取的速度快于其补给速度，水资源利用方面的冲突加剧，因为当地农民因草场萎缩而难以饲养牲畜。

处置

由于电动汽车中锂离子电池的复杂性和重量，大多数电池维护工作都在经销商处进行。集中管理可以妥善收集废电池进行处理。虽然它们被认为是“废弃”的，但这些电池仍然保持 70%-80% 的电量。它们经常被各自的汽车制造商重新用于各种项目，例如备份数据中心和为路灯供电。目前回收电池在经济上不可行，因为使用电池原材料比使用回收材料更便宜（锂便宜 5 倍）。

生命周期分析

电动汽车在生产过程中对环境的影响比普通汽油车更大（一辆中型电动汽车产生 8.8tCO2e，而一辆同等尺寸的汽油车产生 5.6tCO2e）。 然而，汽油产生的温室气体排放量比典型电网供电量更多。虽然煤炭的燃烧比汽油更脏，但它只占美国电网的 27%。超过 40% 的电网由核能和可再生能源供电，这些能源产生的温室气体非常少或根本没有。2018 年，平均电动汽车产生的温室气体排放量与一辆百公里油耗为 3.7 升的汽油车相当。 在美国的大多数地区，电动汽车只需要 2-3 年就可以在总体 CO2 排放量上赶上同等尺寸的汽油车。由于汽车的平均使用寿命大约为 8 年，因此绝大多数电动汽车比同等尺寸的汽油车更环保。

对人类的影响

钴矿

全球钴采购主要集中在刚果民主共和国，那里充斥着暴力、腐败和侵犯人权行为。大型矿山在适当的合同和分包文件方面存在问题，而传统矿山则利用童工，工作条件危险，而且经常受到腐败的军事力量控制。虽然全球对钴的高需求应该有利于刚果人民，但由 2001 年至 2019 年担任总统的约瑟夫·卡比拉领导的政府腐败导致资金被挪用，没有用于救济贫困人口。大约 90% 的钴开采是传统开采。虽然工资与全国平均工资相比很高，但个人矿工经常在地表以下 30 米处开采，以寻找高品位钴，这导致频繁的塌方和滑坡。在该行业中发现的为数不多的女性矿工遭受性侵犯，而且工资较低。 无监管和不安全的开采程序对人类健康造成了重大影响，包括 4 岁以下的儿童。接触钴颗粒会导致“硬金属肺病”，一种严重的肺病，称为尘肺病。尘肺病最初表现为呼吸困难和咳嗽，但随着长时间接触和缺乏适当的个人防护装备（PPE），肺部会留下疤痕，并可能导致哮喘，从而导致血氧水平低（低血氧症）。刚果矿工很少配备口罩、适当的服装和手套，这些是基本必需品。不仅有害物质会影响矿工，而且当地水源和居住区也被发现受到粉尘和铀等有毒物质的污染。

南部非洲资源观察执行主任克劳德·凯贝姆巴正在为传统矿工寻找替代工作方式，他表示：“人们知道这是一种非常恶劣的工作条件，进入地下工作，要么必须吸毒，要么必须喝醉。”

用户安全

由于锂离子电池含有易燃成分，因此安全性是其众多应用中的一个重大问题。可能发生高度放热反应，导致危险的火灾，危及驾驶员、乘客和消防员的生命。外部短路、内部短路、电池过充电、电池过放电、物理损坏或暴露于高温环境中都可能导致电池过热并引发热失控事件。

最近电动汽车发生的火灾引发了人们对这些车辆安全的担忧。在已知的 14 起涉及特斯拉汽车的火灾中，大多数火灾发生在碰撞之后，但越来越多的火灾是其产品似乎自燃造成的。最近的 3 起案件都是轿车在停放时起火；调查得出结论，这些火灾是由于热失控造成的。

未来发展

技术

目前正在进行使用不同材料来提高效率、使用寿命和安全性，同时通过逐步淘汰钴来降低成本和环境影响的改进，以进一步开发用于电动汽车的锂离子电池。

锂空气电池具有巨大的潜力，其能量密度可与汽油相媲美，这将使特斯拉 Model S 每次充电可行驶 20,000 英里。存储相同能量的空气介质只需要一半的电池材料，因此可以将电池重量降低多达 50%。但是，低温下循环寿命差和比功率低的问题。

由于硫的成本低廉，锂硫电池也为电动汽车的未来带来了希望，锂硫电池可能比目前的电池便宜得多。 与含钴电池相比，硫对环境也比较友好。它们还具有高比能量和高比功率。缺点包括循环寿命短和稳定性问题。

政策

“电动汽车无处不在”是美国能源部为促进插电式电动汽车的采用和使用而采取的一项综合性努力。它于 2012 年推出，其目标是到 2022 年使插电式电动汽车与汽油动力汽车一样经济实惠且方便。 在过去四年中，DOE 的研发工作将电动汽车电池的成本降低了 50%，并且投资已超过 2.25 亿美元来解决电动汽车部署中的关键问题。 在欧洲，创建欧洲联盟电池联盟以支持电池制造是欧盟向清洁出行过渡的一部分。重点是针对电池化学成分、格式和制造技术/工艺进行创新。

结论

仅仅因为某样东西是“绿色的”并不意味着它天生就更好。尽管电动汽车在二氧化碳排放方面对环境更友好，但不可衡量的人为影响使汽油车和电动汽车的比较变得复杂。应该从摇篮到坟墓的角度看待锂离子电池，从用于这些电池的材料的开采到生产和使用中的排放（来自通常由化石燃料供电的电网的充电排放）以及最终的处置环境影响。需要对锂离子电池进行整体性的考察，以全面了解它们如何影响地球。