一、背景介紹

未來(lái)十年，由于全球氣候變化，不可逆轉(zhuǎn)的環(huán)境破壞將迅速發(fā)生，能源基礎(chǔ)設(shè)施的快速轉(zhuǎn)型至關(guān)重要。據(jù)信，一個(gè)實(shí)際的脫碳策略將是8小時(shí)的鋰離子電池（LIB）電能儲(chǔ)存與風(fēng)能/太陽(yáng)能發(fā)電配對(duì)，并使用現(xiàn)有的化石燃料設(shè)施作為備用電源。為了達(dá)到100太瓦時(shí)規(guī)模的LIB儲(chǔ)能，關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是消防安全和回收，而不是資本成本、電池循環(huán)壽命或采礦/制造方面的挑戰(zhàn)。

二、正文部分

1、成果簡(jiǎn)介

近日，麻省理工學(xué)院李巨教授發(fā)表了綜述文章，簡(jiǎn)要概述了鋰離子電池消防安全和回收這兩個(gè)方向的研究進(jìn)展。該研究以題目為“Key Challenges for Grid-Scale Lithium-Ion Battery Energy Storage”的論文發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊《Advanced Energy Materials》上。

2、圖文導(dǎo)讀

【圖1】鋰離子電池（LIB）可儲(chǔ)存8小時(shí)的可持續(xù)能源生產(chǎn)示意圖。

格蕾塔·通貝里在推特上評(píng)論2021年聯(lián)合國(guó)氣候變化大會(huì)時(shí)說(shuō)：“COP26已經(jīng)結(jié)束了……但真正的工作還在會(huì)場(chǎng)外繼續(xù)。我們永遠(yuǎn)不會(huì)放棄，永遠(yuǎn)不會(huì)。“能量?jī)?chǔ)存才是真正的工作。到2040年1月3日，也就是格蕾塔37歲生日的時(shí)候，全球二氧化碳排放量要減半，剩下的時(shí)間只有18年了。根據(jù)歷史工程經(jīng)驗(yàn)，沒(méi)有時(shí)間讓一個(gè)新生的“嬰兒”重工業(yè)（麻省理工學(xué)院A+B會(huì)議稿件中所謂的“B:Beyond-2040”技術(shù)）從大學(xué)實(shí)驗(yàn)室中脫穎而出，成熟、規(guī)模化，并及時(shí)拯救世界免受海洋酸化、棲息地喪失和社會(huì)動(dòng)蕩的不可逆轉(zhuǎn)的破壞。今天的地球就像一座著火的房子，只有今天已經(jīng)存在的所謂“A:Action”類型的技術(shù)，才能在2040年之前遏制這種熊熊大火。這意味著需要發(fā)展核裂變（特別是輕水反應(yīng)堆）、風(fēng)力/太陽(yáng)能發(fā)電，以及一些形式的能量?jī)?chǔ)存（熱能、機(jī)械、電池、化學(xué)物質(zhì)）。核能是A類，它已經(jīng)被證明是迄今為止最大的脫碳行動(dòng)先驅(qū)，但目前卻被非常高的建設(shè)成本所困擾。

本文關(guān)注鋰離子電池（LIB）技術(shù)，一種“A型”技術(shù)，占電網(wǎng)規(guī)模電池存儲(chǔ)市場(chǎng)的80%，它使用LiFePO4或LiNixCoyMn1-x-yO2涂敷在鋁箔上作為正極，石墨涂敷在銅箔上作為負(fù)極，和有機(jī)液體電解質(zhì)，目前成本低至90美元/千瓦時(shí)（電池）。LIBs可以深度充放電上千個(gè)循環(huán)，盡管這個(gè)循環(huán)壽命很大程度上取決于循環(huán)條件和溫度。從鋰電池到電池組再到能源系統(tǒng)，在添加了熱管理、電力電子、安全措施和控制之后，成本還將增加2到4倍。在過(guò)去的十年中，由于電動(dòng)汽車（EV）供應(yīng)鏈的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，循環(huán)壽命增加了10倍，成組成本下降了6倍。2018年，中國(guó)電動(dòng)車年銷量突破100萬(wàn)輛大關(guān)?，F(xiàn)實(shí)地說(shuō)，到2025年，LIB存儲(chǔ)的資本支出可能會(huì)達(dá)到200到300美元/千瓦時(shí)（系統(tǒng)）。

在當(dāng)今現(xiàn)有的儲(chǔ)能技術(shù)中，如泵液壓、壓縮空氣、飛輪、全釩氧化還原流電池等，LIB具有響應(yīng)速度快、能量密度高、能效好、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。在12個(gè)電網(wǎng)規(guī)模應(yīng)用場(chǎng)景中的10個(gè)場(chǎng)景中（從黑啟動(dòng)、電能質(zhì)量到一次、二次和三次響應(yīng)），除季節(jié)性儲(chǔ)能和一次響應(yīng)外，預(yù)計(jì)在2040年，LIB將比所有其他技術(shù)領(lǐng)先10%或更多。

第一個(gè)問(wèn)題是：我們需要多少LIB儲(chǔ)能？簡(jiǎn)單的經(jīng)濟(jì)學(xué)表明LIBs不能用于季節(jié)性能源儲(chǔ)存。美國(guó)以化學(xué)燃料的形式儲(chǔ)存了大約6周的能量，在冬天有更多的能量用于取暖。假設(shè)我們的電池成本達(dá)到200美元/千瓦時(shí)，那么價(jià)值200萬(wàn)億美元的電池（2020年美國(guó)GDP的10倍）只能提供1000太瓦時(shí)的儲(chǔ)能，或3.4夸德。由于美國(guó)在2020年使用了92.9夸德的一次能源，這只相當(dāng)于2周的儲(chǔ)存量，不足以在冬季為我們的家庭供暖。因此，100%的清潔能源基礎(chǔ)設(shè)施可能需要非常大規(guī)模的儲(chǔ)熱和核能發(fā)電，以度過(guò)冬季。如果我們能有效地合成液體燃料，真正的游戲規(guī)則改變將會(huì)到來(lái)，但這看起來(lái)更像是B型儲(chǔ)能，而不是A型儲(chǔ)能。

這并不意味著LIBs不能極大地幫助低碳能源轉(zhuǎn)型。從定量模型可以清楚地看出，只要8小時(shí)的電池儲(chǔ)能，價(jià)格為5萬(wàn)億美元（相當(dāng)于美國(guó)3個(gè)月的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值），就可以釋放出大量的風(fēng)能/太陽(yáng)能發(fā)電，從而在深度減少全球二氧化碳排放的方向上發(fā)揮一些真正的作用。Ziegler等人的一項(xiàng)研究表明，在亞利桑那州和德克薩斯州等溫暖的州，如果太陽(yáng)能發(fā)電成本低于150美元/千瓦時(shí)（系統(tǒng)），風(fēng)能/太陽(yáng)能+太陽(yáng)能發(fā)電的等效可用系數(shù)（EAF）可以達(dá)到95%，并與化石燃料發(fā)電成本持平。換句話說(shuō)，一個(gè)人可以在20天中的19天使用風(fēng)能/太陽(yáng)能+LIB，減少80%或更多的二氧化碳排放。在這20天中不幸的一天，持續(xù)一周的風(fēng)能/太陽(yáng)能短缺將要求我們啟動(dòng)我們的天然氣發(fā)電廠，并挽救亞利桑那州和德克薩斯州等地的風(fēng)能/太陽(yáng)能+ LIB電網(wǎng)。在像馬薩諸塞州這樣寒冷的州，這種脫碳解決方案就沒(méi)有那么徹底了：我們將需要更頻繁地燃燒天然氣，使用重油為我們的家庭供暖，尤其是在冬天，但減少50%的碳排放還是完全有可能的。該計(jì)劃規(guī)定，我們不拆除我們的化石燃料發(fā)電廠和運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施（事實(shí)上，我們?yōu)槭裁匆鸬羲鼈?，因?yàn)樗鼈兪浅翛](méi)成本），但至少在2040-2050年之前將它們用作備用系統(tǒng)，同時(shí)通過(guò)LIB儲(chǔ)能，仍能大幅減緩海洋酸化和氣候變化的速度。我們?nèi)匀槐仨毦S持化石燃料工業(yè)，盡管使用它們的頻率要減少5倍或10倍，直到B類技術(shù)成熟的那一天。這一建議的必然結(jié)果是，我們必須通過(guò)保持兩個(gè)平行的“遺留”系統(tǒng)和“A”系統(tǒng)，來(lái)擴(kuò)大能源行業(yè)的勞動(dòng)力總數(shù)和面積。因此，電力的均衡化成本將比我們現(xiàn)在的成本更高，可能高達(dá)50%。但是“絕望的時(shí)刻需要絕望的措施”?？偠灾?，可行的解決方案似乎是在穩(wěn)定風(fēng)能/太陽(yáng)能+蓄熱核能的基礎(chǔ)上，使用遺留的化石燃料系統(tǒng)作為備用電源（圖1），儲(chǔ)存約8小時(shí)的LIB。

LiFePO4//石墨（LFP）電池的能量密度為160 Wh/kg（電池）。因此，8小時(shí)的電池儲(chǔ)能，即美國(guó)25太瓦時(shí)的儲(chǔ)能，將需要156250000噸LFP電池。這大約是每人500公斤L(fēng)FP電池（80千瓦時(shí)的電存儲(chǔ)），其中大約有6.5公斤的鋰原子（需要乘以5.32得到對(duì)應(yīng)的碳酸鋰當(dāng)量，LCE）和29公斤的磷原子。從這個(gè)角度來(lái)看，油輪每年在全球海洋表面運(yùn)輸約20億噸石油。世界人均石油消費(fèi)量為750公斤，美國(guó)人均每年石油消費(fèi)量為3.5噸，現(xiàn)在大部分石油被氧化后自由排放到大氣中。

雖然每人500公斤的LFP電池（80千瓦時(shí)的電力存儲(chǔ)）聽(tīng)起來(lái)很合理，但地球上真的有足夠的鋰和其他礦物來(lái)支持它嗎？簡(jiǎn)單地說(shuō)，答案是肯定的，如果我們注意回收利用，這是未來(lái)兩個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（U.S. Geological Survey）已經(jīng)確定，全球鋰原子“總量約為8000萬(wàn)噸”，在這個(gè)星球上，人均鋰原子量為10.3公斤，因此鋰足夠供地球上每個(gè)人使用。這還不包括從海水中提取的鋰，從堅(jiān)硬的巖石和鹵水中提取鋰的成本是3到30倍。

當(dāng)然，將全球LIB產(chǎn)業(yè)再擴(kuò)大102倍將是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，它會(huì)造成巨大的工業(yè)、生態(tài)和社會(huì)壓力。盡管如此，如果從現(xiàn)在開(kāi)始每年保持30%的增長(zhǎng)率，到2040年是可以實(shí)現(xiàn)的。還要注意的是，“8小時(shí)的能量”是一個(gè)口語(yǔ)化術(shù)語(yǔ)，用來(lái)表示與一次能源使用相比的規(guī)模，但如果只按電能使用歸一化，它更像是60小時(shí)或2.5天的電能儲(chǔ)存。

除了資本支出，與LIB循環(huán)壽命密切相關(guān)的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用（OPEX）又如何呢？結(jié)果表明，鋰離子電池的循環(huán)壽命與充放電深度、溫度和充電速率有非常非線性的關(guān)系。因此，更好的軟件和電池管理系統(tǒng)對(duì)于安全運(yùn)行和實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)價(jià)值最大化非常重要。Hsu等人和Lu等人使用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)電池健康狀態(tài)（SOH）、剩余使用壽命（RUL）和容量-電壓曲線，這些是為家庭或電網(wǎng)規(guī)模的電池組選擇新制造或使用過(guò)的電池和動(dòng)態(tài)負(fù)載平衡的關(guān)鍵。

LIB循環(huán)壽命取決于所謂的庫(kù)侖無(wú)效率，這是每次在電極中沉積和從電極中提取鋰庫(kù)存時(shí)，鋰原子庫(kù)存變?yōu)闊o(wú)效的百分比。通過(guò)調(diào)整電解質(zhì)化學(xué)和電極涂層，可以降低庫(kù)侖無(wú)效率并以指數(shù)方式延長(zhǎng)循環(huán)壽命。Jeff Dahn教授已經(jīng)表明，通過(guò)電解質(zhì)調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)10000–20000次循環(huán)，從而減少電動(dòng)汽車行業(yè)的環(huán)境影響，并促進(jìn)車網(wǎng)儲(chǔ)能。

盡管還有大量工作要做，但循環(huán)壽命、采礦/制造或資本成本本身不會(huì)成為L(zhǎng)IB儲(chǔ)能系統(tǒng)（ESS）成為未來(lái)十年應(yīng)對(duì)氣候挑戰(zhàn)的A類解決方案的障礙。但消防安全和回收利用的挑戰(zhàn)很可能是，正如下面概述的那樣。

【圖2】不同水平的鋰離子電池（LIB）存儲(chǔ)和用于消防安全的關(guān)鍵部件示意圖。

2019年4月19日，亞利桑那州2 MWh LiNixCoyMn1-x-yO2（NCM）//石墨ESS設(shè)施發(fā)生火災(zāi)和爆炸，造成8名消防員受傷。2021年4月16日，中國(guó)北京一個(gè)25 MWh LFP ESS電站發(fā)生爆炸，造成2名消防員死亡。僅在韓國(guó)，2017年至2019年期間就發(fā)生了28起火災(zāi)事故，導(dǎo)致522臺(tái)ESS機(jī)組在監(jiān)管審查后關(guān)閉，占所有ESS安裝的約35%。而在正常使用下，單個(gè)電池單元在其生命周期內(nèi)發(fā)生故障的概率約為10?7，由于火災(zāi)事故的串聯(lián)性質(zhì)，ESS設(shè)施引發(fā)數(shù)百萬(wàn)個(gè)電池同時(shí)發(fā)生火災(zāi)，導(dǎo)致嚴(yán)重事故的概率顯然不低。這些事故導(dǎo)致電力供應(yīng)中斷、嚴(yán)重污染和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。這些負(fù)債需要添加到運(yùn)營(yíng)成本中，而且經(jīng)常被低估。

為了在ESS中獲得更安全的電池，我們選擇了基于LiFePO4的化學(xué)物質(zhì)，而不是層狀氧化物（由于其更高的能量密度和功率，優(yōu)先用于電動(dòng)汽車應(yīng)用），因?yàn)樗鼈兇蟠蟾纳屏搜h(huán)和熱穩(wěn)定性，而且成本較低。然而，ESS火災(zāi)的最初原因可能根本不是電池，而是電線故障、電擊保護(hù)、控制系統(tǒng)故障等。為了進(jìn)行比較，考慮電網(wǎng)上的交流變壓器技術(shù)：即使經(jīng)過(guò)100多年的發(fā)展和大量使用，“變壓器發(fā)生嚴(yán)重火災(zāi)的概率每年在0.06%至0.1%之間”。電網(wǎng)規(guī)模的ESS比變壓器更新、更復(fù)雜，并且熱設(shè)計(jì)更具挑戰(zhàn)性（高達(dá)30%的圓帶能量損失需要作為熱量消散），因此故障診斷和風(fēng)險(xiǎn)緩解更為苛刻。必須考慮龍卷風(fēng)、洪水等自然災(zāi)害，以及網(wǎng)絡(luò)攻擊甚至縱火等人為原因。需要縱深防御設(shè)計(jì)和快速反應(yīng)策略，以最大限度地減少生命損失和附加損害。

無(wú)論熱失控從哪里開(kāi)始，都有一個(gè)巨大的驅(qū)動(dòng)力使這個(gè)失控放大。鋰離子電池中的正極材料在高荷電態(tài)（SOC）下具有高氧化性，并能（特別是在高溫下）釋放氧（由表面氧離子和移動(dòng)晶格氧離子貢獻(xiàn)），而負(fù)極材料具有高還原性，它們僅被10 μm厚的聚丙烯或聚乙烯制成的納米多孔電池隔膜隔開(kāi)。負(fù)極和液體電解質(zhì)都可以作為燃料。電池內(nèi)部短路（ISC）或外部短路（ESC）將自身加熱到幾百攝氏度，而不需要外部氧氣供應(yīng)。電池隔膜在≈110°C以上，總面積趨于收縮，ISC的正極之間裸露接觸更多。此外，液體電解質(zhì)的溶劑是揮發(fā)性的，在高溫下產(chǎn)生更大的蒸氣壓（沸騰）。電池包裝被破壞后，外部氧氣與電池材料的對(duì)流混合將加劇爆炸。NCM電池的總?cè)紵裏峒s為5-10 MJ（熱）/kg（電池），接近其可逆儲(chǔ)能（≈200 Wh kg?1）的10倍，高于TNT的能量（4.6 MJ kg?1）。因此，集裝箱規(guī)模的ESS系統(tǒng)有點(diǎn)類似于彈藥堆，也會(huì)主動(dòng)散發(fā)熱量！這種原始能量的比較當(dāng)然有點(diǎn)誤導(dǎo)人，因?yàn)榧埡退芰系娜紵裏岫济黠@高于TNT。不同場(chǎng)景下不同時(shí)間和長(zhǎng)度尺度下的熱釋放速率或動(dòng)力學(xué)對(duì)于量化電池電池可燃性至關(guān)重要，在材料和電解質(zhì)、電池結(jié)構(gòu)、傳感器和安全系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、國(guó)家/地方安全法規(guī)和消防準(zhǔn)備方面的創(chuàng)新都對(duì)減緩放熱至關(guān)重要（如圖2所示）。

到目前為止，大多數(shù)關(guān)于火災(zāi)安全的研究都集中在電池層改進(jìn)電池材料。這些包括但不限于：通過(guò)摻雜或涂覆方法優(yōu)化LiFePO4和穩(wěn)定高壓LiCoO2/NCM正極熱穩(wěn)定性，通過(guò)輕度氧化、涂覆、和形貌修飾方法改進(jìn)石墨負(fù)極，以獲得穩(wěn)定的SEI層，并尋找替代負(fù)極（如硅納米線，F(xiàn)e3O4和Li4Ti5O12），通過(guò)替換鹽和溶劑等策略降低電解質(zhì)的可燃性，使用功能性添加劑，并尋找不易燃的替代品（如離子液體、膠凝聚合物基電解質(zhì)、和無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)）。雖然電池層材料的開(kāi)發(fā)已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)展，但電池內(nèi)部的熱失控風(fēng)險(xiǎn)不能完全消除。這需要額外的保護(hù)層，如設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)碾姵亟Y(jié)構(gòu)和外部安全裝置。近年來(lái)，這些領(lǐng)域的研究迅速增長(zhǎng)，但技術(shù)仍不成熟，主要包括安全通風(fēng)口、電流中斷裝置、正溫度系數(shù)裝置、阻斷隔膜、氣體傳感器、電池管理系統(tǒng)及其與能源/電源管理系統(tǒng)的集成，以及電池劃分（電池間距和物理屏障）。滅火是另一個(gè)新興的研究領(lǐng)域，這是非常重要的，因?yàn)殇囯x子火災(zāi)與傳統(tǒng)火災(zāi)有很大的不同，因?yàn)殇嚺c水具有高反應(yīng)性，電池存在爆炸風(fēng)險(xiǎn)，其不需要外部氧氣供應(yīng)就能維持鋰離子火災(zāi)，以及有毒含氟氣體的釋放。

除了技術(shù)的進(jìn)步，火災(zāi)危險(xiǎn)的控制也取決于法規(guī)和管理的發(fā)展。LIBs必須經(jīng)過(guò)一系列安全測(cè)試才能用于電動(dòng)汽車和固定式儲(chǔ)能等應(yīng)用。盡管國(guó)際和國(guó)內(nèi)已經(jīng)發(fā)布了若干標(biāo)準(zhǔn)和條例，但在安全測(cè)試的測(cè)試條件、測(cè)試參數(shù)和合格/不合格標(biāo)準(zhǔn)方面仍然缺乏一致性。例如，用于穿透測(cè)試的釘子材料、尺寸和穿刺深度，以及SOC、溫度和充電速率等測(cè)試條件都有很大的可變性。安全測(cè)試的不一致導(dǎo)致整個(gè)行業(yè)LIB質(zhì)量存在巨大波動(dòng)，這可能給故障排除和安全政策的制定帶來(lái)困難。另一個(gè)問(wèn)題是，大多數(shù)測(cè)試都是在單個(gè)電池水平上進(jìn)行的，這可能并不代表電池組/系統(tǒng)水平的安全性能。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)級(jí)安全評(píng)估方面，業(yè)界仍缺乏共識(shí)。

LIB火災(zāi)事故的應(yīng)急響應(yīng)是安全的另一個(gè)重要部分，因?yàn)殡姵刂休p微的熱失控可能導(dǎo)致連鎖反應(yīng)，在ESS中釋放數(shù)百萬(wàn)個(gè)電池的能量，極大地危及人類生命和資產(chǎn)。因此，實(shí)施適當(dāng)?shù)膽?yīng)急響應(yīng)措施以控制ESS火災(zāi)危險(xiǎn)至關(guān)重要。在亞利桑那州ESS火災(zāi)的案例中，消防隊(duì)員打開(kāi)ESS的門，使里面的易燃?xì)怏w與火花或熱源接觸，導(dǎo)致爆炸，造成嚴(yán)重傷害。盡管有國(guó)際/國(guó)內(nèi)一級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)和條例，但在地方一級(jí)卻沒(méi)有具體到每一個(gè)ESS地點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)和條例。由于每個(gè)基站都有其獨(dú)特的條件，如基站材料、基站數(shù)量、模塊組件類型、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、基站溫度和濕度、水資源和急救人員的可用性等，因此迫切需要針對(duì)特定基站的法規(guī)。例如，韓國(guó)火災(zāi)事件中的ESS大多位于山區(qū)和沿海地區(qū)，溫度波動(dòng)大，濕度高，導(dǎo)致水分凝結(jié)，干燥后的殘留物最終導(dǎo)致電氣絕緣元件退化。所有這些因素都決定了運(yùn)行模式、使用的滅火劑的類型以及急救人員應(yīng)該采取的具體步驟。這些都應(yīng)該是透明的，并被認(rèn)真對(duì)待。應(yīng)經(jīng)常檢查和更新儲(chǔ)能電池滅火指南，以及通用（國(guó)際）的國(guó)家指南，以跟上電池儲(chǔ)能行業(yè)的快速變化。利益相關(guān)方還應(yīng)確保消防隊(duì)員受過(guò)良好的教育，并接受過(guò)最新的培訓(xùn)，因?yàn)閾錅鏛IB火災(zāi)的方法與撲滅典型火災(zāi)有很大不同。

LIBs的報(bào)廢處理也會(huì)造成嚴(yán)重的火災(zāi)危險(xiǎn)，不應(yīng)掉以輕心。無(wú)論是回收還是處置，LIBs都可能在不同的步驟中損壞，如收集和運(yùn)輸過(guò)程中的碰撞，以及機(jī)械拆卸過(guò)程中的破碎。這些高強(qiáng)度的過(guò)程大大增加了火災(zāi)的危險(xiǎn)，應(yīng)該用嚴(yán)格的規(guī)定加以限制，但目前缺乏這些規(guī)定。圖2簡(jiǎn)要地總結(jié)了LIBs消防安全考慮的關(guān)鍵方面。

【圖3】a）鋰離子電池閉環(huán)回收示意圖。b）電池回收凈利潤(rùn)。

除了安全問(wèn)題外，可再生能源是否非常“綠色”仍有疑問(wèn)。風(fēng)力渦輪機(jī)、太陽(yáng)能電池板和鋰電池的密集型生產(chǎn)給供應(yīng)鏈和地球上有限的礦藏帶來(lái)了一個(gè)棘手的問(wèn)題。例如，鋰電池生產(chǎn)目前已經(jīng)分別消耗了所有鋰和鈷開(kāi)采能力的40%和25%，隨著電池在未來(lái)變得越來(lái)越占主導(dǎo)地位，全球?qū)︺~、鋰、鈷、石墨和稀土元素等資源的開(kāi)采能力將不得不擴(kuò)大200%或更多。此外，礦物開(kāi)采和LIB生產(chǎn)都產(chǎn)生大量的二氧化碳，這些綠色設(shè)備在退役后大多被扔進(jìn)垃圾填埋場(chǎng)或海洋，產(chǎn)生大量的廢棄塑料和重金屬，對(duì)環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，必須回收這些設(shè)備，以確?？沙掷m(xù)的礦物供應(yīng)鏈和減少污染。

截至2019年，全球只有5%的鋰離子垃圾得到回收，原因包括缺乏法規(guī)、復(fù)雜而昂貴的回收過(guò)程以及缺乏回收技術(shù)和設(shè)施等。目前，火法冶金和濕法冶金是回收的主要方法，它們都旨在以金屬形式提取有價(jià)值的金屬，如Co和Ni，但它們耗能且對(duì)環(huán)境/經(jīng)濟(jì)不利。與完全不回收相比，它們甚至?xí)黾佣趸寂欧拧?/p>

在過(guò)去的幾年中，直接回收已經(jīng)發(fā)展起來(lái)，因?yàn)樗诃h(huán)境和經(jīng)濟(jì)上更具可行性，它修復(fù)了經(jīng)歷鋰損失或結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的活性材料，而不是提取組成元素。與高溫/濕法冶金相比，直接回收法只消耗約15%的能源，產(chǎn)生約25%的二氧化碳排放，成本約降低50%。這對(duì)于ESS應(yīng)用來(lái)說(shuō)尤其重要，這些應(yīng)用嚴(yán)重依賴于含有較少價(jià)值元素的化學(xué)物質(zhì)，如LiFePO4或LiMn2O4，直接回收可能是有利可圖的（圖3）。一種常見(jiàn)的直接回收策略是將廢棄的活性材料與新的活性材料或額外的鋰源混合，然后進(jìn)行熱處理，目的是補(bǔ)充損失的鋰或修復(fù)受損的晶體結(jié)構(gòu)。修復(fù)后的活性材料可以直接制成電池再制造的新電極，大大降低了金屬成分提取和活性材料再合成的成本和排放。其他簡(jiǎn)單和廉價(jià)的直接回收方法包括水熱再生，選擇性愈合，機(jī)械化學(xué)活化，微波，使用深共晶溶劑修復(fù)，快速熱輻射和快速焦耳加熱。為了保證實(shí)用性和質(zhì)量，可以將新的直接回收（淺回收）方法與傳統(tǒng)的冶金工藝（深度回收）結(jié)合使用。例如，可以為已經(jīng)經(jīng)歷了10個(gè)淺回收步驟的LIB執(zhí)行一個(gè)深度回收步驟。圖3簡(jiǎn)要地顯示了LIB的回收過(guò)程。

在回收技術(shù)進(jìn)步的同時(shí)，廢物管理和政策制定也應(yīng)得到發(fā)展，以確保真正的循環(huán)經(jīng)濟(jì)。由于改變游戲規(guī)則的回收技術(shù)不能在短時(shí)間內(nèi)成熟，很可能在不久的將來(lái)，大多數(shù)LIB仍然沒(méi)有被回收，最終被儲(chǔ)存、填埋或焚燒。如果管理和處置不當(dāng)，廢鋰中的有毒有機(jī)溶劑、塑料和重金屬會(huì)滲入土壤，污染海洋。聯(lián)邦和州兩級(jí)的LIB處置已有多個(gè)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，如美國(guó)的《資源保護(hù)和回收法》和中國(guó)的《危險(xiǎn)廢物處理?xiàng)l例》，但仍存在一些問(wèn)題，如LIB分類不明確，未能跟上技術(shù)進(jìn)步，缺乏數(shù)據(jù)收集標(biāo)準(zhǔn)，報(bào)告和跟蹤，這些都應(yīng)及時(shí)解決。

3、總結(jié)與展望

隨著能源需求的增長(zhǎng)、資源的枯竭和氣候以指數(shù)速度惡化，能源生產(chǎn)的脫碳是不可避免的。在目前的技術(shù)階段，考慮到經(jīng)濟(jì)和環(huán)境因素，8小時(shí)的鋰電池儲(chǔ)能與風(fēng)能/太陽(yáng)能（A型技術(shù)）相結(jié)合，產(chǎn)生的能源可以滿足95%的需求，并使用傳統(tǒng)化石燃料作為備用電源，應(yīng)該是未來(lái)能源脫碳的現(xiàn)實(shí)策略，直到B型技術(shù)（如核聚變動(dòng)力工程和超導(dǎo)傳輸）成熟為止。隨著LIB能量密度、成本效率和循環(huán)壽命的不斷進(jìn)步，這些數(shù)字（8小時(shí)，95%等）將會(huì)有所改善，但未來(lái)面臨的兩個(gè)真正的挑戰(zhàn)是消防安全和回收，與追求低成本、長(zhǎng)循環(huán)壽命和高能量密度相比，這兩個(gè)方面在過(guò)去相對(duì)被忽視，但對(duì)確保電池可靠性和真正的環(huán)保至關(guān)重要。幸運(yùn)的是，它們最近引起了越來(lái)越多的關(guān)注，并取得了重大的創(chuàng)新和進(jìn)步。在技術(shù)上，人們對(duì)火災(zāi)安全產(chǎn)生熱和熱失控的起源有了更深入的了解，在材料和工程層面都有了更好的設(shè)計(jì)，包括可靠的高壓正極、SEI穩(wěn)定的負(fù)極、阻燃的液體電解質(zhì)、循環(huán)性好的固體電解質(zhì)，以及更好的外部安全裝置和電池管理系統(tǒng)。在回收方面，人們正在追求更經(jīng)濟(jì)、更環(huán)保的冶金工藝（深度回收），以及創(chuàng)新的直接回收（淺回收）方法。淺回收和深度回收的優(yōu)化組合，可以進(jìn)一步提升回收的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，形成可再生能源產(chǎn)業(yè)內(nèi)Co、Ni、Li等有價(jià)值元素的閉環(huán)，在儲(chǔ)能需求快速增長(zhǎng)的情況下，極大地減輕資源和開(kāi)采負(fù)擔(dān)。此外，法規(guī)和管理必須與技術(shù)進(jìn)步同步改進(jìn)，以進(jìn)一步提高安全性和可持續(xù)性。需要制定最新的特定場(chǎng)地安裝/安全指南和應(yīng)急措施，需要認(rèn)真對(duì)待報(bào)廢LIB的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，需要制定和執(zhí)行廢物管理政策。實(shí)現(xiàn)可再生能源與LIB存儲(chǔ)相結(jié)合的循環(huán)經(jīng)濟(jì)需要學(xué)術(shù)界、工業(yè)界和政府之間的廣泛合作。隨著技術(shù)和管理的改進(jìn)，我們將有望實(shí)現(xiàn)成本《90美元/kWh的電池組，該電池組可穩(wěn)定循環(huán)20000次及以上，實(shí)現(xiàn)安全和可持續(xù)的電網(wǎng)存儲(chǔ)。

審核編輯：郭婷