电子展|锂电池可持续发展面临的十大挑战
随着电动汽车（EV）的迅猛发展，锂离子电池（LIB）的市场份额呈现出指数级增长，因此人们对电池的可持续性评估和生命周期评估（LCA）也日益重视。这些评估旨在衡量充电电池在其整个生命周期内对环境的影响。电动汽车锂电池的健康状况（SOH）必须维持在80%以上，低于80%的电池可以用于其他用途。尽管锂离子电池的回收技术和回收产业正在兴起，但这些设施在大范围内尚未得到广泛应用。电子展小编认为，降低锂离子电池的回收成本也有助于推动回收产业的发展。
虽然电池被认为是相对于化石燃料的一种绿色技术，但在其整个生命周期中，电池仍然会直接或间接地产生温室气体排放。确保电池的可持续发展不仅应关注其生命周期结束（EoL），更应关注其整个生命周期。此外，电池回收的责任不应仅由工业和生产商承担，消费者也应参与其中。促进公众、政府和行业之间的合作与协同的政策将在这方面发挥关键作用。为此，本文制定了五大标准和十项原则（图1）。具体为影响整个电池生命周期的五个关键方面，并提出了涵盖材料设计、绿色优点、循环管理和社会责任等十项原则。实现或提高充电电池可持续性的十项原则或发展方向需要公众、政府和行业的协同努力。
用清洁能源充电
使用清洁能源充电是实现清洁电气化的重要环节。电池充电时的电力通常来源于混合能源，其中大部分电力仍依赖于不可再生资源。为了评估清洁能源充电的效果，估算了使用60%可再生能源发电的电网为电池充电所减少的温室气体排放量。结果表明无化石燃料电网的推广对于进一步减少LIB运行期间的温室气体排放具有重要意义。可再生能源的推广还能提高能源效率，增强锂电池的多功能性，并促进利用可再生能源进行电池回收。可再生能源来源的透明度能够增强利益相关者的信任度和市场差异化。然而，推广过程中面临的挑战包括成本、供应链复杂性、监管负担、“洗绿”风险和技术限制。政府支持可再生能源的政策以及在保护专有信息的前提下公开相关技术规范，将有助于长期规划和可持续发展。
电池效率很大化
磷酸铁锂和镍钴锰酸锂的能量效率分别为92%和88%。虽然表现出较高的能量效率，但在运行过程中仍有8%到12%的能量损失。在阳极材料方面，使用锂金属替代石墨负极（250 Wh/kg），锂-钴酸锂（Li-LMO）电池的比能量可提高到约450 Wh/kg，锂-硫（Li-S）和锂空气系统可分别进一步提高到650 Wh/kg和950 Wh/kg。然而，设计全锂金属电池时面临了体积变化和枝晶形成等挑战。尽管碳化硅基阳极材料具有高容量、高开路电压（4 V）和环保等优点，但由于导电性差和循环使用时电极降解等问题。
提高锂电池的能效将有助于建立更具可持续性和成本效益的电力系统。能量效率可以通过以下几方面进一步提高：（1）材料设计与工程、（2）电池运行管理和监控以及对（3）设备的创新。但同样重要的是，需要对电池制造进行优化，使设备具有尽可能小的内阻，同时减小体积或重量，以提高体积和重力能量密度。在电池管理系统中，风冷、液冷与相变材料结合使用，为电动汽车中的LIB电池组提供了经济有效的温度控制方案。
开发多功能性
迄今为止，锂离子电池（LIB）主要用于存储电荷。目前正在努力提高LIB的多功能性。通过采用光伏电极材料、压电隔膜、三电极和氧化还原活性电解质，可以开发出光电池、压电池、三电电池、热电池和生物电化学电池。这些新型电池为便携式电子设备中的自供电可穿戴设备或小工具提供了可能性。自供电特性还可以延长电池的运行时间，同时减少通过电网充电的需求，进一步减少锂电池运行过程中的温室气体排放。
非物质化
电池的非物质化旨在通过固态电解质和增材制造等技术，使用更少的材料储存更多的能量，从而制造出更轻、更高效的电池。这不仅减少了浪费，还改进了回收方法，提高了关键材料的回收效率。
目前的电池使用铅、钴、镍和磷等环境可持续性较低的有毒元素。不负责任地处置这些电池可能会对生物造成慢性毒害，因此很有必要开发生物友好型材料。原材料稀缺也是制造低成本锂电池的重大障碍。为了解决稀缺性问题，广泛采用的策略之一是非物质化，即在制造过程中减少材料用量。纳米技术的应用符合非物质化战略，通过使用很少的材料实现所需的器件功能。通过这些技术和材料的创新，电池非物质化将显著提升电池的性能和环境友好性，从而推动可持续能源的发展。
延长电池寿命
提高电池的耐用性一直是研究的重点。延长电动汽车中现有商用锂电池寿命的策略包括优化充电协议、加强热管理、改进电池监控系统以及采用智能充电方法。电池的使用寿命受化学、材料和环境因素的影响。监测SOH对于预测性能和安排维护至关重要，对可持续储能实践具有重要意义。此外，工作时间更长的电池还能提高投资回报率（ROI），有利于公众对电池技术的接受。目前有多种评估SOH的方法，每种方法都有特定的用途。
可持续/闭环生产
闭环生产，也称为循环生产，是指在一个封闭系统中回收和再利用材料，而非提取和丢弃材料。最近一种可持续的直接循环法利用低温锂重嵌技术回收磷酸铁锂正极，采用低浓度锂盐和生态友好型还原剂，实现了与原始磷酸铁锂相当的性能。能源使用量减少了约80%-90%，温室气体排放量减少了约75%。回收贵金属不仅可以确保原材料的来源，还能规避地缘政治问题。通过采用可持续的循环经济，产品在整个生命周期内产生的所有废物都可以回收和再利用，从而大大减少废物的产生。
节约资源
完整的循环经济不仅依赖于电池材料或组件的循环利用和回收，还依赖于对废旧电池进行重新设计和再制造，以用于其他用途。例如为低耗能设备供电或制造电池组。商用锂电池对模块化和可扩展性的要求很高，这增加了设计的复杂性。因此，有必要对电池组的尺寸和空间分配进行仔细评估。此外，政府的支持，如提供按地理位置划分的资源可用性综合数据，可能有助于电池制造商做出明智的决策和战略规划。
确保透明度
要求制造商披露电池中使用的材料及其来源是透明度的一个关键方面。公司应披露其供应商和制造商的信息，以确保电池中使用的材料和组件符合道德标准并具备可持续性。通过区块链技术记录材料和生产历史，可以确保产品的可靠性和真实性。透明的电池模块设计有利于重新设计和再制造。考虑到企业可能不愿分享被视为商业秘密的信息，模块设计标准化可能是实现自动化回收的关键步骤。这些努力只有在政府政策的支持下才能实现。
企业责任
根据“生产者延伸责任”（EPR）的概念，生产或销售商品的生产商、分销商和商家要对其商品在整个生命周期内的经济影响负责。在EPR制度下，生产者必须单独或通过行业资助的组织，负责管理其产品在生命周期内的处置或回收。这包括为消费者退回的产品制定回收计划，或与回收设施合作，确保其产品得到妥善处理和处置。EPR的目的是将产品生产和处置的环境成本内部化，使这些成本反映在产品价格中。这可以鼓励生产商设计更环保的产品，并在产品的整个生命周期内采取更可持续的商业行为。
政策和教育的重要性
回收计划，可以有效减少废物和对原材料的需求。建立高效的收集和运输系统、进行适当的材料分类、投资出色的回收技术、提升公众教育以及制定支持性政府政策都是至关重要的措施。支持回收利用的政策可以包括设定回收目标、提供经济激励措施以及对违规行为进行处罚。如图5所示，实施这些政策需要采取多方面的方法，包括教育计划，让公众了解在电池系统运行期间及之后进行适当管理的重要性。公众需要充分了解与回收相关的信息。考虑到便携式电子产品中的充电电池常常被公众不负责任地丢弃，这些信息传播尤为重要，以确保所有电池都能被回收再加工。此外，还应实施鼓励公众参与电池回收的配套政策。这不仅有助于减轻制造商在物流方面的困难，也鼓励企业履行其社会责任。
结语
充电储能技术市场和研究的不断发展，如果不对其整体可持续性进行认真规划，会阻碍其实现零排放。电子展小编觉得，发展可持续的电池循环经济对于解决电池生产和处理带来的环境和经济挑战以及满足各种能源需求的充电储能技术的可持续性至关重要。回收和再生降解电池非常困难，这主要是由物流问题、缺乏支持政策以及投资回报率低等原因造成。政府的支持政策可以将充电电池的可持续发展推向一个新的高度。通过使用绿色能源充电来提高电池的总绿色价值，需要政府政策来减少或消除煤炭发电。需要教育消费者对自己产生的废物负责，并制定配套政策，确保鼓励公众回收或再利用降解电池。促进充电电池的可持续发展需要各方的参与，电子展小编觉得，只有这样，充电电池才能真正实现可持续发展。
文章来源：SMM新能源