锂离子电池可持续发展面临的十大挑战

新能源时代 · 公众号 · · 2025-03-09 10:00

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【研究背景】

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，但这些设施在全球范围内尚未得到广泛应用。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。

【内容简介】

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。

图1. 可持续充电电池的五大标准。

【结果与讨论】

用清洁能源充电

图2. 改进充电电池的绿色指标。

使用清洁能源充电是实现清洁电气化的重要环节（图2a-c）。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。

电池效率最大化

图2d，e比较了两种最常用的阴极材料，即磷酸铁锂（LiFePO ₄ ）和镍钴锰酸锂（LiNi _0.5 Co _0.2 Mn _0.3 O ₂ ）的充放电行为。计算得出，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

图3. 提高材料电化学性能的设计。

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（图3a）。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先进技术，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。

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