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政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change）第六次評估報告的第二部分于2022年2月底發(fā)布，突顯了當下應對不斷升級的氣候危機的緊迫性。首要行動是我們全球能源系統(tǒng)的電氣化，以及從化石燃料向可再生能源的過渡。然而，間歇性問題和儲能缺口仍然是根本性障礙。長期以來，各種類型、形狀和尺寸的電池一直被認為是解決方案，但它們價值鏈上每一環(huán)的可持續(xù)性，仍有待仔細研判。

我們的能源系統(tǒng)占全球溫室氣體排放量的70%以上。交通和電力加起來約占這些排放量的一半，被認為是最容易實現(xiàn)電氣化的部門。這種“過渡可行性”反映在國際能源署的凈零能源系統(tǒng)路線圖中概述的電氣化目標中：到2030年，60%的新車銷售應為電動汽車，到2050年，70%的電力應通過太陽能和風能發(fā)電。增加儲能對這兩個目標都至關重要：預測顯示，在未來8年內，存儲容量需要增加30倍。

幾十年來，電池一直是領先的電力存儲技術，這得益于獲得諾貝爾2019年化學獎認可的John Goodenough、M.Stanley Whittingham和Akira Yoshino在20世紀90年代初的開展的鋰電池先鋒工作。自此，電池技術開始出現(xiàn)在生產(chǎn)生活中的每個角落。通過其高能量密度、高存儲容量、可充電性和商業(yè)可行性，鋰電池徹底改變了信息、通信技術、汽車和電網(wǎng)。長期以來，鋰電池一直被認為是解決我們能源存儲需求的解決方案?；诋斍暗募夹g，如果我們能夠在2030年將鋰電池的總存儲容量擴大17倍，它們將是清潔能源未來的關鍵。

然而，正如Au等人在本期Commentary中所指出的，從獲取原材料，到制造，以及最終的報廢電池處理，整個電池價值鏈都暗藏可持續(xù)性挑戰(zhàn)。盡管電池很可能是一種清潔能源解決方案，但它們的全過程可持續(xù)性不可忽視。

對電池核心特性（如能量密度、存儲容量、可循環(huán)性和效率）至關重要的元素（如鋰、鈷、鎳和石墨）是稀缺資源，且供應鏈脆弱。鋰電池需求的增加可能導致對這些稀缺資源的過度開發(fā)、價格波動甚至地緣沖突——一個最近的代表性案例是2021年飛升450%的鋰價格。此外，這些原材料的儲量通常位于較不發(fā)達國家，關乎不可忽視的社會和道德問題。例如，絕大多數(shù)鈷僅在剛果民主共和國發(fā)現(xiàn)，那里童工和不安全的礦業(yè)工作做法司空見慣。許多關鍵原材料的開采對陸地環(huán)境也造成了相當大的影響。近年，如Amon等人在本期Commentary中所討論的，對關鍵材料的開采已經(jīng)延伸到深海領域。溫室氣體排放、水資源短缺、有毒廢物和棲息地破壞可能只是綠色能源未來的幾個后果。

毫無疑問，電池是我們最可行的儲能技術，但正如許多意圖解決社會挑戰(zhàn)卻孤立存在的解決方案一樣，無可避免地面臨權衡問題。令人欣慰的是，越來越多的科學家意識到這些權衡，正如本月的Voices文章所示，電池研究已開始探索更可持續(xù)的技術解決方案。大多數(shù)進展都與改進陰極材料有關，如使用相對而言不甚稀缺的元素（如硫、鈉和鉀）來取代更易產(chǎn)生社會環(huán)境問題的稀有金屬（如鋰、鈷和鎳）。陽極材料和當前對石墨的依賴也是近年來出現(xiàn)的另一個焦點，無石墨甚至無陽極電池受益于更高的能量密度。一些研究人員主張完全去除作為電極材料的金屬，例如全有機電池和橡膠電解質已經(jīng)體現(xiàn)了最近的一些進展。然而，盡管這些新興技術令人鼓舞，但它們往往因電池的整體性能下降而仍需要更多研究。容量降低、效率降低、周期性降低、壽命縮短和不穩(wěn)定性都是眾多權衡因素之一。

此外，關于鋰電池可持續(xù)性挑戰(zhàn)并不僅僅存在于電池核心的化學和材料部分。比如，盡管有不同的假設，且估計值不一，但鋰離子電池制造過程中產(chǎn)生的溫室氣體排放量可能占電池全周期排放量的一半以上。一個解決方案是確保制造業(yè)使用更清潔的能源。然而，如上所述，首先需要更大的電池存儲容量來穩(wěn)定由可再生能源供電的電網(wǎng)，而此可能反過來會產(chǎn)生更多的排放。另一種方法是增加電池的能量密度。然而，這再次讓人想起了目前仍需要改進的電池化學：當關鍵金屬被替代時，能量密度通常會受到影響。就電動汽車而言，快速充電可以提供部分解決方案。導致制造業(yè)排放的一個因素是電池尺寸。隨著汽車制造商尋求解決里程焦慮問題，并為更長的單次充電行程儲存更多能量，電動汽車電池正在變得越來越大。然而，更大的電池往往會導致更高的電池生產(chǎn)相關的排放量、更多的關鍵金屬開采，和更高的電池成本。正如Yang等人在本期Commentary中所討論的，如果配合精心規(guī)劃的快充策略，更小的電池可以在相似的時間內支持相同的行駛距離。在鋰電池價值鏈中，電池制造部分是復雜的，只有通過更多的跨學科研究，我們才能確定所需解決方案的組合，以最大限度地減少權衡并提供更大的共同利益。

處置報廢的鋰電池也會產(chǎn)生可觀的環(huán)境足跡。據(jù)估計，到2030年，每年約有200萬公噸的廢舊鋰電池。在如此巨大的待報廢電池數(shù)量之外，電池內部物質的降解和浸出還會將有毒的化學物質（如鋰、鎳和鎘）釋放到大氣、土壤和水道中，從而積累并威脅人類和環(huán)境健康。提高鋰電池的使用壽命和可回收性不僅對降低這些影響至關重要，而且對回收有價值的資源并進行再利用，以及緩解開采原材料的壓力也至關重要。目前，復雜的化學成分和不同的電池單元結構導致回收鋰電池非常具有挑戰(zhàn)性。此外，電池組的拆卸會產(chǎn)生有害的氟化氫氣體，甚至導致電池爆炸。因此，目前的鋰離子電池回收率極低，約為5%。令人鼓舞的是，當下已經(jīng)有關于改進電池設計的進展，以便更容易地拆卸和回收有價值的材料，或者開發(fā)電池再生工藝，使廢舊鋰電池的陰極材料能夠被重新利用。然而，仍然需要更多的合作努力來促進優(yōu)化設計，從而將每一個電池從誕生到完結的可持續(xù)性成本降至最低。

自30年前突破性地出現(xiàn)鋰離子電池技術以來，電池研究一直專注于性能——更高的能量密度、更大的存儲容量、更多的充電周期，但其前景正在發(fā)生變化。正如《歐盟電池2030+倡議》（EU Battery 2030+）和本期中的許多文章所表明的那樣，我們迫切需要推動針對更可持續(xù)電池的研究。這不僅是一個渴求，更是一個巨大的機會。2019年諾貝爾委員會強調：“鋰電池奠定了無線和無化石燃料社會的基礎”?，F(xiàn)在是將這個基礎進一步推向可持續(xù)未來的關鍵時刻。這無疑需要一種整體的、跨學科的、泛學科的綜合方法，在更廣泛的研究社區(qū)中進行新的合作。One Earth歡迎并期待發(fā)表這一令人興奮的前沿領域的高質量研究。

原標題： 構建可持續(xù)電池價值鏈的每個環(huán)節(jié)