典型的电动汽车电池的可持续性如何？

Josiah02

全电动汽车车队被全球誉为减缓气候变化的变革性解决方案。但电动汽车电池有多环保？它们会帮助我们避免地球变暖还是会加剧日益严重的问题？
仅在美国，交通运输业就占2022 年温室气体排放总量的 29% ，超过任何其他行业。根据美国环境保护署的数据，这些排放中近 80% 来自在全国道路和高速公路上行驶的车辆。
雅各布工程学院机械与航空航天工程系助理教授、加州大学圣地亚哥分校能源研究中心附属成员帕特里夏·伊达尔戈·冈萨雷斯 (Patricia Hidalgo-Gonzalez) 表示：“未来交通运输行业向电动汽车转型将会改变游戏规则。”
“温室气体排放导致全球气温升高，这已经造成了非常严重的环境影响，例如海洋酸化和变暖、冰川融化和极端天气事件。”她补充道，“我们必须尽最大努力减缓气候变化，防止其产生更频繁和更不利的影响，这一点至关重要。”
为了帮助减少这些排放造成的全球变暖，加州空气资源委员会于 2022 年批准了一项全国领先的清洁汽车规则，该规则制定了逐年路线图，规定到 2035 年，加州销售的所有新车和轻型卡车都必须是零排放汽车。
该规定允许汽车制造商在该州的汽车销量中，20% 为插电式混合动力汽车（即结合了汽油和电力），其余为纯电动汽车和氢燃料电池汽车。通过这项规定，加州加入了其他几个州的努力；俄勒冈州、马萨诸塞州、华盛顿州和纽约州等其他州也纷纷效仿。
早期采用者已经铺平了道路，电动汽车的全球销量继续攀升。电动汽车比以往任何时候都更经济、更有吸引力，越来越多的汽车公司推出混合动力或全电池电动汽车。电池是电动汽车得以实现的关键，通常是锂离子电池。与传统的化石燃料驱动的内燃机一样，这些电池也是由有限的自然资源制成的。
电池基础知识
令人惊讶的是，电动汽车锂离子电池所用的电池在组件上与手机和笔记本电脑电池并没有太大区别，雅各布工程学院 Aiiso Yufeng Li 家族化学和纳米工程系 William Coles 捐赠主席、可持续电力和能源中心主任 Ping Liu 解释说。
刘先生说，电池单元是“电池的心脏”，电池中单元的数量决定了电池的大小和容量。
每个电池单元由四个主要部件组成：阴极、阳极、电解质和隔膜。这些部件可以看作是一个三明治，阴极和阳极的作用类似于外面的面包片，而电解质和隔膜就像馅料。
这些电池通常使用多种元素，包括锂、镍、钴、锰、铁、石墨和铜等。
采购锂离子电池所需的各种材料涉及全球各个国家。
全球大部分锂资源位于玻利维亚、智利和阿根廷；钴主要来自刚果民主共和国；磷酸盐来自非洲国家；石墨来自中国北方；镍来自澳大利亚、印度尼西亚、加拿大、巴西和俄罗斯。锰和铁的来源地很多。这些金属大部分都是开采出来的。
刘先生说：“如今采矿效率极高。但至少对于锂来说，采矿并不是获取金属的唯一途径。”
美国有望成为锂资源大国。劳伦斯伯克利国家实验室 2023 年的一项研究表明，南加州索尔顿海的地热盐水中蕴藏着惊人的锂储量——3,400 千吨。
地热盐水（可用于发电的热浓缩盐溶液）可能为超过 3.75 亿块电动汽车电池提供足够的锂，远远超过目前美国道路上的汽车总数。
索尔顿海地区首个专用大型锂提取和可再生地热设施将于 2024 年开始建设。
然而，刘先生提出了一个警告：“索尔顿湖中含有许多其他重金属，提取锂和提取有用的锂是完全不同的两件事，”他说。“提取足够纯净、不含污染物、适合电池使用且具有经济意义的锂是完全不同的问题。”
大规模生产
在国内，美国目前没有办法采购锂离子电池的所有原材料，也没有大规模生产电池的商业制造工厂。要做到这一点，需要对公共基础设施、劳动力培训和必要设施进行大量资本投资。
刘先生表示：“美国在探索电动汽车电池制造方面还有很长的路要走。”
最初的想法是，美国可以在帝国县建立电池制造设施，以便尽可能靠近提取点使用锂。
但社会科学学院城市研究与规划系主任、教授艾萨克·马丁 (Isaac Martin) 解释说，在建造这些设施之前，还必须克服额外的能源、水利和交通基础设施以及劳动力培训方面的障碍。马丁正在研究锂矿发现后该地区高薪、高技能蓝领劳动力扩张的能力。
每日驾驶
一旦找到电池原材料，就可以进行生产和安装。大多数电动汽车电池的使用寿命至少为 10 年。
然而，电动汽车受到的普遍批评之一是，它们使用的电力可能不是由可再生资源产生的。那么，使用以煤电等为动力的电动汽车对环境不是同样有害吗？
刘回答说，事实并非如此。
即使电动汽车使用有问题的电源产生的电力进行充电，它们仍然具有环境效益。
“汽油车是个问题，”刘说，“它们不仅污染环境，而且污染方式分散，因为行驶过程中有太多车辆会散播污染物。”然而，可能排放温室气体和污染物的发电厂可能位于更偏远的地区，因此环境缓解和清理工作更容易管理。
“不喜欢电动汽车的人通常会说，如果电很脏，实际上就什么也没省，”刘说。“但事实并非如此——利用清洁能源为电动汽车供电仍然有好处，也有潜力。”
除了环保优势外，电动汽车还能更好地处理当今先进汽车运行所需的不断增长的计算能力。刘解释说，汽油动力汽车有交流发电机，可以产生运行车载计算机所需的电能，而电动汽车可以轻松运行现有的计算机系统，并且随着设计的发展，电动汽车还能运行更复杂的计算机系统。
刘先生说：“随着车辆中需要越来越多的电动元件，特别是全自动汽车，电气化就是为此而生的。”
重复使用和回收
电动汽车可能已经达到其主要用途的终点，但这并不意味着其电池已经报废。刘先生表示，经过多年的轻松使用，例如短途日常通勤，这些电池可能会获得第二次生命。然而，电动汽车电池的再利用最终取决于经济可行性。
刘先生说：“很多直觉上很好的想法最终都花费不菲。”他说，找到电动汽车电池的二次利用“听起来是个好主意，因为电池还没有耗尽，所以我们应该从中榨取更多价值。”
但是“电池为汽车服务了八年之后，你把它拆下来，然后就必须重新认证电池，”他补充道。“它仍然是好的，但它仍然安全吗？在重新组装电池之前，你可能需要将好的电池与坏的电池分开。”
但是，一旦电动汽车电池的使用寿命正式结束，接下来该怎么办？好吧，回收似乎并不像你想象的那样，但这是可能的。
“这些电池最初设计时，并没有考虑到回收利用，”刘说，“事实上，锂离子电池可能是最难回收的电池之一。”
因此刘先生表示，虽然回收是可能的，但问题在于经济和环境成本是多少。
如今，锂离子电池由诸如优美科（Umicore）等精炼公司进行回收。优美科是一家总部位于比利时的大型电池回收公司，已运营数十年。
“传统的回收方法是将现有的电池放在高温炉中焚烧，”雅各布工程学院化学与纳米工程系的教授郑晨解释道。
“石墨和其他有机材料将被烧掉，其余材料将融合在一起形成两种成分：金属合金和陶瓷，”陈说。“陶瓷价值极低，经常被丢弃或重新用于铺路。”
另一方面，金属合金含有有价值的元素。然而，提取这些元素需要用强酸和其他刺激性化学品进一步处理，以分离和净化金属。“这些金属将被重新用于制造前体，然后进一步加工成新的电池材料，”他补充道。
尽管回收成本高昂，但刘先生相信，随着电动汽车电池寿命的结束，它们永远不会造成电子垃圾危机。“一切都可以回收利用，”他说。
陈对未来充满信心。美国能源部和加州能源委员会对扩大国内电动汽车电池回收能力非常感兴趣，而这一领域的初创企业数量也在不断增加。陈本人是初创公司 ExPost Technology 的成员，该公司专注于开发一种新的锂离子电池回收策略。
变革的潜力
归根结底，电动汽车电池能带来改变吗？美国和加州能否做出必要的监管改革和基础设施投资，建立电池制造厂和回收厂？
“电动汽车的总体优势在于，它们可以从根本上减少我们对化石燃料的依赖，特别是降低排放，”全球政策与战略学院彼得考伊全球转型中心创新与公共政策主席、深度脱碳倡议主任戴维维克多 (David Victor) 表示。
然而，任何技术变革都会带来可行性问题。“清洁能源革命面临的挑战之一是，当优先事项发生冲突时，你如何处理它们——你如何防止这些冲突导致瘫痪？”维克多说。“美国和加州对环境保护非常积极，但建造任何扰乱环境的东西都非常困难。”
维克多补充道：“我们对清洁能源革命的了解是，我们必须要建设一些东西”，比如工业设施、电力线和矿山。
刘教授很快指出，目前正在进行许多创新。“这需要所有学生和研究人员、工程师和政策制定者以及所有人的聪明才智才能实现。”
刘先生说：“要振兴一个行业需要全社会的共同努力。这会非常困难。但这是可以做到的。”