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本Valsler

我们正处于气候危机之中。作为回应,各国承诺采取重大行动减少碳排放——例如,欧盟打算到2050年实现碳中和,中国则打算到2060年。2015年,近200个缔约方通过了《巴黎气候协议》,要求各国以日益雄心勃勃的五年为周期制定减排计划。碳意识也已进入企业文化,巴斯夫(BASF)等组织的目标是在2030年实现碳中和增长,通用汽车(General Motors)的目标是在2040年实现。

当讨论大规模的碳减排时,重点往往是发电——用太阳能、风能或潮汐能取代化石燃料——或者是碳捕获和储存等新技术。但为了一个真正可持续的未来,我们需要更广阔的视野。

克里斯Stumpf

我是克里斯·斯顿夫,在沃特斯公司工作。我是一名高级经理,主要负责市场开发。事实上,我最近一直在广泛关注的是电子领域,以及可持续性。我在公司里有了一个“绿色大使”的头衔,因为我在做很多电子产品,尤其是锂离子电池。它与碳中和联系在一起,但也与支持世界上许多公司和许多国家的可持续发展目标联系在一起,因为他们正在努力实现碳中和的既定目标。

本Valsler

沃特斯公司是世界领先的专业测量公司,他们本身不生产锂离子电池或研究新的可持续材料,但他们开发色谱、质谱和热分析技术,使世界各地的科学家和行业能够回答前沿问题。

克里斯Stumpf

我认为这有一个共同的线索,我认为这在很大程度上因为Covid-19而加速。我们发现,供应链正在被打乱,因此需要能够在国家内部进行生产。就目前的情况来看,很多供应链是不可持续的。因此,减少这种情况的一种方法是使用5G,这将实现物联网,实现自动化制造。还有人工智能,它可以直接专注于管理供应链的特定方面,以及连续制造,诸如此类的事情。其中最基本的技术就是能源,以及如何在需要的地方储存和使用能源。一种方法是使用电池,特别是锂离子电池。它们是当今最主要的电池类型。目前,它们使电动和混合电动汽车成为可能,它们被用于电网,用于智能电网。它们的使用将在整个景观中非常普遍。 In addition, they’re heavily used in consumer electronics, our smartphones and our laptops, and all these types of devices that we use nowadays.

本Valsler

虽然所有这些技术都在促进发展、减少我们对现有过时基础设施的依赖方面发挥了作用,但电池似乎是最不令人兴奋的。第一个商用锂离子电池才30年,但在这段时间里,它们已经变得无处不在,司空见惯,甚至被遗忘了。

克里斯Stumpf

人工智能和5G得到了大量宣传。我的意思是,它们甚至出现在流行文化中——你可以想想史蒂芬·金的小说细胞,基于用手机信号塔创造僵尸。2001年,史蒂文·斯皮尔伯格拍了一部电影,以人工智能为基础,创造了一个[人工]人。

但现在,我们认为这种锂离子电池技术是理所当然的。它无处不在:它存在于我们的笔记本电脑和手机中。还有很多事情要做。

2019年诺贝尔化学奖得主古迪纳夫、威廷汉姆和吉野幸男表示,在研究方面仍有六件事需要做:降低成本、提高安全性、增加电荷密度。例如,如果你要把这些锂离子电池放在飞机上,或者是大的拖拉机-拖车卡车或类似的东西上,你需要更多的能量密度。

接下来的问题是,锂离子电池技术,就像今天正在实践的那样,使用液态电解质和正极,是否是正确的方法。我们应该采用另一种技术吗?比如说,我们用固体吗?还是用其他类型的技术来取代电极?阳极和阴极中的锂和钴并不是真正可持续的——从可持续性的角度来证明这一点有点困难。你能不能用一些更常见的金属,比如钠来代替它们?这里有很多机会让真正基础的研发人员来决定往哪个方向走,以及哪个是最具商业可行性的选择。

本Valsler

可持续性对不同的人有不同的含义。一个商业战略要想持续下去,就必须确保利润大于成本。但这可能与环境底线相冲突——确保没有环境或生态破坏,以维持自然世界的子孙后代。联合国从全球视角制定了17个可持续发展目标,包括负担得起的清洁能源、气候行动、负责任的消费和生产,以及性别平等、卫生、和平与正义。

克里斯Stumpf

除了清洁的环境,他们还希望促进国内稳定,因为他们希望将极端的财富不平等最小化,以减少战争的可能性。关于锂离子电池,可持续性的框架以及寻找材料来源在联合国的17个发展目标中发挥了作用。想想巴黎气候条约,如果我们能将碳排放量维持在1990年的水平,那么我们就能阻止地球温度的上升。基本上,这证明了对锂离子电池及其产品的研发投资是合理的。

吉野先生谈到锂离子电池是可持续社会的基石。但还有一些事情是我们没有完全意识到的,直到我们有很多消费电子产品,汽车,飞机和其他类似的东西都是用锂离子电池或其他替代电池运行。这是一项使能技术。在可持续发展的整体规划中,它只起了很小的作用。这并不是唯一有助于解决这个问题的方法,因为这是一种混合的情况,为了实现可持续的未来,我们需要做很多事情,但在我看来,这是基础。

本Valsler

如果电池是可持续社会的基石,那么了解如何根据具体用途对其进行定制是至关重要的——你笔记本电脑中的电池与最新电动汽车中的电池有非常不同的规格。这就是测量技术发挥作用的地方,帮助从蓝天研究到高效制造的一切。

尼尔·迪马斯

大家好,我是Neil Demarse。我是微量热计产品的产品经理。

因为电池是封闭的,不动的,所以你几乎可以把它想象成一台机器。这是一个复杂的设备。没有很多技术可以用来研究全电池。很多都是破坏性的技术。有一个你可以用来单独检查化学物质,也可以检查整个电池的测试是很重要的。这就是量热法对研究领域有重要贡献的地方。

研究也开始考虑引入一些工具,生物化学家或生物制药科学正在使用,因为它们的敏感性:高效液相色谱和质谱。还有冷冻EM,历史上只在蛋白质科学中使用;现在,它被用于电池的材料表征。随着电池的变化和性能要求的加快,他们正在引入一些传统上化学工程师或化学家不会使用的工具。没有一种电池是万能的,因此还需要进行大量的研究,以确定如何为特定的应用最好地制造特定的电池。

克里斯Stumpf

为了考虑像安全或能量密度这样的问题,从分析表征的角度来看,你必须回头考虑电池本身。当你想到电池的时候你需要考虑四个主要的事情。有阳极和阴极,我们都很熟悉电池的终端,基本上就是阳极和阴极。里面是电解质。有添加剂和所有这些东西被放在那里部分是为了提高电池的性能,但也抑制潜在的火灾和类似的事情。在里面,有一个聚合物分离器。其主要目的是防止阳极和阴极之间的短路。如果你真的短路了——如果聚合物被击穿了,或者它缩小了——电池就会很快变热。如果电池很快变热,它就会发生连锁反应,因为很多时候,这些汽车的电池组中会有成千上万的电池。它可以像多米诺骨牌一样层叠。

尼尔·迪马斯

量热法可以告诉你反应发生得有多快,反应发生了多少,甚至是有反应发生的事实。所以研究人员可能在它进入电池之前就有一些化学数据,或者如果你要把它切开,但量热法告诉你所有这些成分是如何一起反应的-是否有我们不想要的反应?我们测量热量;这些反应是不是太热了?

电池中的化学成分将有助于提高电荷密度和电池寿命。安全性也是在研发过程的早期就可以考虑的东西,以确保化学品是兼容的。高精度库仑法是另一种与量热法配合使用的技术来了解这些寄生反应,研究人员想要了解的微小反应因为它直接指出了电池的性能。

克里斯Stumpf

但你也有能力真正理解正在发生的化学反应,以及所有的副反应。这些副反应基本上剥夺了电池的主要优点:它产生的能量。如果你能从分子的角度理解这一点,用质谱技术,或者用电池量热法对整个电池本身进行分析,那么你就能真正理解如何让电池使用20年,40年,甚至100年。

本Valsler

对电池内部的化学成分进行微调并不足以制造出完美的产品——正确的电池盒对于让化学成分在电池内部发挥作用至关重要。为了证实一个病例在现实世界中不会崩溃,研究人员使用了热重分析(TGA)等技术。通过以可控的方式对材料加热,他们不仅可以精确地测量物理变形,还可以精确地测量表明降解或氧化的化学变化。

克里斯Stumpf

制成套管的聚合物实际上非常重要。例如,你想要制造一个在车祸中不会被压碎的外壳。所以你可以设计一个套管,并使用分析表征来构建聚合物,这样它就能抵抗这种情况。你可以在里面的电解液中加入合适的添加剂,这样如果它开始升温,就可以触发某种火焰抑制。从分析的角度来看,你可以做很多这样的事情来建造一个高性能的电池它有很多你想要的能源性能。但同时你也要考虑到安全问题。

本Valsler

联合国负责任的消费和生产目标所强调的可持续未来的一个重要组成部分是围绕产品在其使用寿命结束时发生的情况。电子垃圾是一个日益严重的问题——联合国估计,2018年报告的电子垃圾数量为5000万吨,预计到2050年,这一数量将翻一番。这包括难以回收的复杂设备,可能含有有毒或难以替换的部件,从而形成了一个恶性循环,材料以破坏环境的方式开采,几年后又被送回垃圾填埋场。对于电池,就像对于其他电子元件一样,研究和特性可以帮助我们减少、再利用和循环利用。

尼尔·迪马斯

在理解回收利用方面有很多工作要做。苹果公司是世界上最大的电池回收公司之一。这并不奇怪——他们所有的设备都有电池。我确定他们想要回那些电池,他们有一个可能回收部分或全部电池的程序。还有很多其他的技术,但仍然有问题:你如何把一个充满化学物质的静态机器拆开?你如何回收这些小碎片?有一些计划或研究是这样的,我们将把电池磨碎,并试图通过机械地把它变得越来越小来净化某些部分。“另一些则是打开电池并提取某些材料,但我认为理解电池如何循环利用是一个巨大的挑战。最好的方法是什么?我认为它不一定符合我们目前所知的分离(组件)的回收流程。垃圾分类很容易。 With batteries, it’s a lot more complex.

克里斯Stumpf

现在,有法规来收集这些电池,因为我们不希望它们进入废物流。但就收集足够的材料进行再利用而言,我认为电动汽车的数量实际上还不够高,在经济上不可行。关于回收电池,人们主要关注两个方面。第一个比较简单:你从一辆汽车的外壳里取出电池组,打开外壳,就会看到所有这些单独的电池。你可以测试每一个细胞你可以把坏的细胞拿出来用好的细胞替换。然后你可以重新利用电池组,要么把它放回另一辆车里,要么把它放到智能电网里,后者对能源的需求可能会少一些。实际上,它在电网中可能会持续更长的时间。这基本上是对电池的改造。

第二种方法是把电池组从车里或者手机里或者别的什么东西里拿出来,打开电池组,取出电池,然后把它们磨碎。然后试着把东西分离成钴、镁、锂等,回到原始材料。这是另一个需要分析描述的领域;你需要质谱分析,核磁共振,热重分析,差示扫描量热分析,所有这些类型的技术来理解它的物理性质和分子性质,看看你是否真的回到了你想要的状态。

本Valsler

纯的、未加工的材料具有很好理解的性质。但是,当一种材料从废弃电池中回收时,我们需要确定它在返回生产过程之前会有同样的表现。由于许多公司都处于财政危机,使用可能含有杂质的回收或再生材料的风险可能难以承受。

克里斯Stumpf

没有分析描述,没有分子的了解阳极和阴极材料,电解液,和高分子材料制成的电池,没有分子- TGA和物理理解,你可以用热塑性聚合物可以融化。你需要知道这些聚合物何时熔化,因为这是制造过程的一部分。你熔化这些聚合物,然后吹塑它们,或者用它们做不同类型的生产。但你需要理解这一点因为如果温度改变了,在现有的制造过程中,它将无法工作,你将不得不做所有这些适应。所以,你真的需要理解,‘我仍然有相同的聚合物,还是它以某种方式降解了?“例如,如果你从电池中提取一种聚合物,并将其用于不同的应用,比如汽车保险杠,如果这种聚合物现在很脆,它就会立即断裂。它在汽车上的应用并不好因为你需要保险杠来抵抗那种冲击。所以,从整体分析特征,从制造电池到循环经济再到元件再利用,你必须从过程的每一步都理解这一点。

本Valsler

所以我们共同努力找到方法来适应挑战性的未来,以满足雄心勃勃的目标我们设置不同定义的可持续性,这是至关重要的,我们使用每个工具提供给我们调查,分析和理解的技术,我们认为是理所当然的。有了这种认识,我们就能建造、重建更好的电池,实现吉野彰的愿景,即把电池作为可持续社会的基石。

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本期播客由沃特斯公司的克里斯·斯顿普夫和尼尔·德马斯共同制作。我是《化学世界》的本·沃斯勒,感谢大家的收看。