Lentis/電動汽車中的鋰離子電池

簡介

全球氣候變化危機優先考慮從交通運輸領域中的化石燃料向可再生能源的過渡。近年來，特斯拉公司、通用汽車公司、日產汽車株式會社和寶馬汽車公司（BMW）等主要製造商在電動汽車開發方面取得了快速發展。本 Lentis 案例研究章節將提供電動汽車的歷史背景，並分析與在流行電動汽車中發現的鋰離子電池的生產、使用和處置相關的環境和社會影響。

歷史

縱觀時間軸的電動汽車

電動汽車最早出現在 19 世紀後期，當時科學家們對早期的電池和電動機進行了實驗。 在美國，愛荷華州得梅因的威廉·莫里森被認為是在 1890 年開發出第一輛成功的電動汽車，獲得了電動電流調節器和改進的蓄電池板製造工藝的專利。莫里森電動汽車有六個座位，24 個電池，4 馬力，最高速度為 14 英里/小時，行駛里程為 50 英里。 從 1890 年代到 20 世紀初是電動汽車的黃金時代。蒸汽機需要很長的啟動時間，而汽油車需要換擋並且會排放尾氣。電動汽車的衰落始於 1908 年，當時更便宜的福特 T 型車問世，以及道路的改善和德克薩斯州的石油熱潮。由於汽油價格上漲和環境問題，電動汽車在 1970 年代重回市場。這最終導致了現代電動汽車和混合動力汽車的發展。

鋰離子電池的發展

19 世紀後期，早期的電動汽車使用的是加斯頓·普蘭特在 1859 年發明的可充電鉛酸電池。電池技術的進步提高了鉛酸電池的效能和充電速度，但它們的比能量差導致了替代解決方案的出現。鎳鎘電池等重量更輕的電池在 1960 年代得到應用，但鋰離子電池最終因其優異的效能和重量輕而成為現代的標準。 約翰·B·古迪納夫、M·斯坦利·惠廷漢姆和吉野彰的發現導致了早期商業鋰離子電池的誕生，並於 2019 年獲得了化學諾貝爾獎。古迪納夫在鈷作為關鍵成分方面進行了實驗，鈷至今仍在使用。吉野用石油焦代替鋰金屬，大大提高了穩定性。如今的科學家們正在努力使鋰離子電池更安全、更持久，並提高其能量密度。 2008 年，特斯拉 Roadster 成為第一款使用鋰離子電池的電動汽車，也是第一款續航里程超過 200 英里的電動汽車。

鋰離子電池的基礎知識

元件

鋰離子電池由負極、正極、電解質、隔膜和兩個集流體（正極和負極）組成。負極和正極儲存鋰；正極在電池充電時釋放鋰離子，而負極在放電時釋放鋰離子。電解質是一種液體，充當鋰離子的運輸工具。隔膜允許離子從負極自由地流向正極，反之亦然。正極集流體在放電期間從電路接收電子，而負極集流體在充電期間接收電子。

在材料方面，正極由層狀氧化物組成，通常含有鈷和鎳，因為它們的穩定性很高。然而，鈷有毒，其開採充滿了侵犯人權的行為。負極通常由鋰製成，鋰具有良好的電荷密度，但存在迴圈和短路問題。電解質有許多變體，但效能最好的溶劑易燃，存在安全風險。

化學

鋰離子電池因其高功率重量比而成為 EV 中最常見的電池。鋰離子電池有許多不同的衍生產品，每種衍生產品都有不同的正極材料，以提高效率、功率輸出和使用壽命。目前最常見的鋰離子電池是鋰鎳錳鈷氧化物 (NMC)、鋰鎳鈷鋁氧化物 (NCA) 和鋰錳氧化物 (LMO)。雪佛蘭 Bolt 使用 NMC 電池，總容量為 60 kWh。特斯拉 Model 3 使用添加了錳的 NCA 電池，以提高效率，其容量為 75 kWh。 日產 Leaf 和寶馬 i3 都使用 LMO 和 NMC 的組合來最佳化效能，其容量分別為 30 kWh 和 42 kWh。

LMO 電池中的錳成分具有非常好的熱穩定性，這提高了電池的安全性。它提供高速率的充放電，但容量和壽命較低。 NMC 電池的設計目的是為了實現高比能量或功率，並具有高密度。 這些電池通常使用鎳、錳和鈷的 1-1-1 比例作為正極，但此比例可能因製造商而異。 NMC 電池通常與 LMO 結合使用，這種組合可以得到具有高功率（LMO）和長續航里程（NMC）的電池。 NCA 電池具有與 NMC 電池相似的特性，具有高比能量和功率以及長壽命。但是，它不像其他型別電池那樣安全，而且製造成本更高。

環境影響

生產

剛果生產了全球 60% 的鈷。雖然大多數鈷來自大型露天礦，但全球鈷產量的 10%-25% 來自剛果的傳統礦。 由於剛果缺乏監管和傳統礦的規模巨大，即使在礦區以外的地區，重金屬汙染也很普遍。鈷通常與其他有毒重金屬（如鉛和鎘）一起存在，這些重金屬在被開採到地表後會滲入水道和大氣中。目前缺乏關於長期鈷暴露對健康影響的研究；然而，現有研究發現，居住在礦山附近的個體尿液中鈷濃度是美國普通公民的 43 倍，這是有史以來報道的最高濃度。 隨著全球對鈷需求的增加，重金屬濃度預計會上升，其後果將變得明顯。全球鋰儲量的 80% 位於阿根廷、玻利維亞和智利：鋰的“ABC”。為了開採這種“白色黃金”，礦工將鹽水泵入包含鋰的鹽湖的各個部分。水會在幾個月內蒸發，濃縮的液體被泵送到加工廠。

鹽水所用的水來自沙漠地區地下的含水層，這給當地的地下水供應帶來了巨大壓力。每生產 1 噸鋰大約需要 50 萬加侖水，佔阿塔卡瑪鹽湖水資源利用的 65%，智利最重要的鋰開採地區。 由於含水層中的水被抽取的速度快於其補給速度，水資源利用方面的衝突加劇，因為當地農民因草場萎縮而難以飼養牲畜。

處置

由於電動汽車中鋰離子電池的複雜性和重量，大多數電池維護工作都在經銷商處進行。集中管理可以妥善收集廢電池進行處理。雖然它們被認為是“廢棄”的，但這些電池仍然保持 70%-80% 的電量。它們經常被各自的汽車製造商重新用於各種專案，例如備份資料中心和為路燈供電。目前回收電池在經濟上不可行，因為使用電池原材料比使用回收材料更便宜（鋰便宜 5 倍）。

生命週期分析

電動汽車在生產過程中對環境的影響比普通汽油車更大（一輛中型電動汽車產生 8.8tCO2e，而一輛同等尺寸的汽油車產生 5.6tCO2e）。 然而，汽油產生的溫室氣體排放量比典型電網供電量更多。雖然煤炭的燃燒比汽油更髒，但它只佔美國電網的 27%。超過 40% 的電網由核能和可再生能源供電，這些能源產生的溫室氣體非常少或根本沒有。2018 年，平均電動汽車產生的溫室氣體排放量與一輛百公里油耗為 3.7 升的汽油車相當。 在美國的大多數地區，電動汽車只需要 2-3 年就可以在總體 CO2 排放量上趕上同等尺寸的汽油車。由於汽車的平均使用壽命大約為 8 年，因此絕大多數電動汽車比同等尺寸的汽油車更環保。

對人類的影響

鈷礦

全球鈷採購主要集中在剛果民主共和國，那裡充斥著暴力、腐敗和侵犯人權行為。大型礦山在適當的合同和分包檔案方面存在問題，而傳統礦山則利用童工，工作條件危險，而且經常受到腐敗的軍事力量控制。雖然全球對鈷的高需求應該有利於剛果人民，但由 2001 年至 2019 年擔任總統的約瑟夫·卡比拉領導的政府腐敗導致資金被挪用，沒有用於救濟貧困人口。大約 90% 的鈷開採是傳統開採。雖然工資與全國平均工資相比很高，但個人礦工經常在地表以下 30 米處開採，以尋找高品位鈷，這導致頻繁的塌方和滑坡。在該行業中發現的為數不多的女性礦工遭受性侵犯，而且工資較低。 無監管和不安全的開採程式對人類健康造成了重大影響，包括 4 歲以下的兒童。接觸鈷顆粒會導致“硬金屬肺病”，一種嚴重的肺病，稱為塵肺病。塵肺病最初表現為呼吸困難和咳嗽，但隨著長時間接觸和缺乏適當的個人防護裝備（PPE），肺部會留下疤痕，並可能導致哮喘，從而導致血氧水平低（低血氧症）。剛果礦工很少配備口罩、適當的服裝和手套，這些是基本必需品。不僅有害物質會影響礦工，而且當地水源和居住區也被發現受到粉塵和鈾等有毒物質的汙染。

南部非洲資源觀察執行主任克勞德·凱貝姆巴正在為傳統礦工尋找替代工作方式，他表示：“人們知道這是一種非常惡劣的工作條件，進入地下工作，要麼必須吸毒，要麼必須喝醉。”

使用者安全

由於鋰離子電池含有易燃成分，因此安全性是其眾多應用中的一個重大問題。可能發生高度放熱反應，導致危險的火災，危及駕駛員、乘客和消防員的生命。外部短路、內部短路、電池過充電、電池過放電、物理損壞或暴露於高溫環境中都可能導致電池過熱並引發熱失控事件。

最近電動汽車發生的火災引發了人們對這些車輛安全的擔憂。在已知的 14 起涉及特斯拉汽車的火災中，大多數火災發生在碰撞之後，但越來越多的火災是其產品似乎自燃造成的。最近的 3 起案件都是轎車在停放時起火；調查得出結論，這些火災是由於熱失控造成的。

未來發展

技術

目前正在進行使用不同材料來提高效率、使用壽命和安全性，同時透過逐步淘汰鈷來降低成本和環境影響的改進，以進一步開發用於電動汽車的鋰離子電池。

鋰空氣電池具有巨大的潛力，其能量密度可與汽油相媲美，這將使特斯拉 Model S 每次充電可行駛 20,000 英里。儲存相同能量的空氣介質只需要一半的電池材料，因此可以將電池重量降低多達 50%。但是，低溫下迴圈壽命差和比功率低的問題。

由於硫的成本低廉，鋰硫電池也為電動汽車的未來帶來了希望，鋰硫電池可能比目前的電池便宜得多。 與含鈷電池相比，硫對環境也比較友好。它們還具有高比能量和高比功率。缺點包括迴圈壽命短和穩定性問題。

政策

“電動汽車無處不在”是美國能源部為促進插電式電動汽車的採用和使用而採取的一項綜合性努力。它於 2012 年推出，其目標是到 2022 年使插電式電動汽車與汽油動力汽車一樣經濟實惠且方便。 在過去四年中，DOE 的研發工作將電動汽車電池的成本降低了 50%，並且投資已超過 2.25 億美元來解決電動汽車部署中的關鍵問題。 在歐洲，建立歐洲聯盟電池聯盟以支援電池製造是歐盟向清潔出行過渡的一部分。重點是針對電池化學成分、格式和製造技術/工藝進行創新。

結論

僅僅因為某樣東西是“綠色的”並不意味著它天生就更好。儘管電動汽車在二氧化碳排放方面對環境更友好，但不可衡量的人為影響使汽油車和電動汽車的比較變得複雜。應該從搖籃到墳墓的角度看待鋰離子電池，從用於這些電池的材料的開採到生產和使用中的排放（來自通常由化石燃料供電的電網的充電排放）以及最終的處置環境影響。需要對鋰離子電池進行整體性的考察，以全面瞭解它們如何影響地球。