构建可持续电池价值链的每个环节 | One Earth 3月刊论文精选

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齐“芯”戮力 共“盈”零碳

政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change）第六次评估报告的第二部分于2022年2月底发布，突显了当下应对不断升级的气候危机的紧迫性。首要行动是我们全球能源系统的电气化，以及从化石燃料向可再生能源的过渡。然而，间歇性问题和储能缺口仍然是根本性障碍。长期以来，各种类型、形状和尺寸的电池一直被认为是解决方案，但它们价值链上每一环的可持续性，仍有待仔细研判。

我们的能源系统占全球温室气体排放量的70%以上。交通和电力加起来约占这些排放量的一半，被认为是最容易实现电气化的部门。这种“过渡可行性”反映在国际能源署的净零能源系统路线图中概述的电气化目标中：到2030年，60%的新车销售应为电动汽车，到2050年，70%的电力应通过太阳能和风能发电。增加储能对这两个目标都至关重要：预测显示，在未来8年内，存储容量需要增加30倍。

几十年来，电池一直是领先的电力存储技术，这得益于获得诺贝尔2019年化学奖认可的John Goodenough、M.Stanley Whittingham和Akira Yoshino在20世纪90年代初的开展的锂电池先锋工作。自此，电池技术开始出现在生产生活中的每个角落。通过其高能量密度、高存储容量、可充电性和商业可行性，锂电池彻底改变了信息、通信技术、汽车和电网。长期以来，锂电池一直被认为是解决我们能源存储需求的解决方案。基于当前的技术，如果我们能够在2030年将锂电池的总存储容量扩大17倍，它们将是清洁能源未来的关键。

然而，正如Au等人在本期Commentary中所指出的，从获取原材料，到制造，以及最终的报废电池处理，整个电池价值链都暗藏可持续性挑战。尽管电池很可能是一种清洁能源解决方案，但它们的全过程可持续性不可忽视。

对电池核心特性（如能量密度、存储容量、可循环性和效率）至关重要的元素（如锂、钴、镍和石墨）是稀缺资源，且供应链脆弱。锂电池需求的增加可能导致对这些稀缺资源的过度开发、价格波动甚至地缘冲突——一个最近的代表性案例是2021年飞升450%的锂价格。此外，这些原材料的储量通常位于较不发达国家，关乎不可忽视的社会和道德问题。例如，绝大多数钴仅在刚果民主共和国发现，那里童工和不安全的矿业工作做法司空见惯。许多关键原材料的开采对陆地环境也造成了相当大的影响。近年，如Amon等人在本期Commentary中所讨论的，对关键材料的开采已经延伸到深海领域。温室气体排放、水资源短缺、有毒废物和栖息地破坏可能只是绿色能源未来的几个后果。

毫无疑问，电池是我们最可行的储能技术，但正如许多意图解决社会挑战却孤立存在的解决方案一样，无可避免地面临权衡问题。令人欣慰的是，越来越多的科学家意识到这些权衡，正如本月的Voices文章所示，电池研究已开始探索更可持续的技术解决方案。大多数进展都与改进阴极材料有关，如使用相对而言不甚稀缺的元素（如硫、钠和钾）来取代更易产生社会环境问题的稀有金属（如锂、钴和镍）。阳极材料和当前对石墨的依赖也是近年来出现的另一个焦点，无石墨甚至无阳极电池受益于更高的能量密度。一些研究人员主张完全去除作为电极材料的金属，例如全有机电池和橡胶电解质已经体现了最近的一些进展。然而，尽管这些新兴技术令人鼓舞，但它们往往因电池的整体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、寿命缩短和不稳定性都是众多权衡因素之一。

此外，关于锂电池可持续性挑战并不仅仅存在于电池核心的化学和材料部分。比如，尽管有不同的假设，且估计值不一，但锂离子电池制造过程中产生的温室气体排放量可能占电池全周期排放量的一半以上。一个解决方案是确保制造业使用更清洁的能源。然而，如上所述，首先需要更大的电池存储容量来稳定由可再生能源供电的电网，而此可能反过来会产生更多的排放。另一种方法是增加电池的能量密度。然而，这再次让人想起了目前仍需要改进的电池化学：当关键金属被替代时，能量密度通常会受到影响。就电动汽车而言，快速充电可以提供部分解决方案。导致制造业排放的一个因素是电池尺寸。随着汽车制造商寻求解决里程焦虑问题，并为更长的单次充电行程储存更多能量，电动汽车电池正在变得越来越大。然而，更大的电池往往会导致更高的电池生产相关的排放量、更多的关键金属开采，和更高的电池成本。正如Yang等人在本期Commentary中所讨论的，如果配合精心规划的快充策略，更小的电池可以在相似的时间内支持相同的行驶距离。在锂电池价值链中，电池制造部分是复杂的，只有通过更多的跨学科研究，我们才能确定所需解决方案的组合，以最大限度地减少权衡并提供更大的共同利益。

处置报废的锂电池也会产生可观的环境足迹。据估计，到2030年，每年约有200万公吨的废旧锂电池。在如此巨大的待报废电池数量之外，电池内部物质的降解和浸出还会将有毒的化学物质（如锂、镍和镉）释放到大气、土壤和水道中，从而积累并威胁人类和环境健康。提高锂电池的使用寿命和可回收性不仅对降低这些影响至关重要，而且对回收有价值的资源并进行再利用，以及缓解开采原材料的压力也至关重要。目前，复杂的化学成分和不同的电池单元结构导致回收锂电池非常具有挑战性。此外，电池组的拆卸会产生有害的氟化氢气体，甚至导致电池爆炸。因此，目前的锂离子电池回收率极低，约为5%。令人鼓舞的是，当下已经有关于改进电池设计的进展，以便更容易地拆卸和回收有价值的材料，或者开发电池再生工艺，使废旧锂电池的阴极材料能够被重新利用。然而，仍然需要更多的合作努力来促进优化设计，从而将每一个电池从诞生到完结的可持续性成本降至最低。

自30年前突破性地出现锂离子电池技术以来，电池研究一直专注于性能——更高的能量密度、更大的存储容量、更多的充电周期，但其前景正在发生变化。正如《欧盟电池2030+倡议》（EU Battery 2030+）和本期中的许多文章所表明的那样，我们迫切需要推动针对更可持续电池的研究。这不仅是一个渴求，更是一个巨大的机会。2019年诺贝尔委员会强调：“锂电池奠定了无线和无化石燃料社会的基础”。现在是将这个基础进一步推向可持续未来的关键时刻。这无疑需要一种整体的、跨学科的、泛学科的综合方法，在更广泛的研究社区中进行新的合作。One Earth欢迎并期待发表这一令人兴奋的前沿领域的高质量研究。

One Earth 3月刊已于3月18日上线

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我们特意为大家精选了发表在 One Earth 2022年3月刊的15篇文章，供大家详细了解。

声音：可持续电池的技术途径

如果我们要实现电气化、低碳的未来，电池是必不可少的，但电池技术目前还不可持续。本期Voices问道：有哪些新兴的技术解决方案可以提高电池的可持续性？

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评论文章：后锂离子电池时代：性能、材料多样化和可持续性

全球认识到需要根据可持续性实现储能多样化，这推动了超越锂离子电池的发展。然而，向真正可持续的能源产业转型需要对从头到尾的成本、性能和环境进行知情评估，同时引入长期国际立法，以及电池链上所有利益相关者的协调行动。

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评论文章：钢铁-能源联姻：大规模长时间储能和清洁炼钢的新范例

用可再生能源取代化石燃料是缓解气候变化的关键。然而，可再生能源的间歇性，尤其是太阳能和风能季节性变化导致的多日可再生能源，对持续提供可靠且价格合理的电力的能力提出了挑战。铁-空气电池作为一种长时间储存技术显示出了巨大的潜力，它可以进一步促进炼钢的零排放转变。

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评论文章：快充技术的进步促进了可持续电气化

交通运输行业的电气化过渡正在迅速加快，但与电池相关的可持续性挑战，包括成本、原材料和与制造业相关的排放，构成了障碍。在这里，我们将讨论极快充电在打破这些障碍和提供通往更可持续的电池驱动电动汽车市场的途径中的作用。

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评论文章：在不知道如何游泳的情况下走向深海：我们需要深海海底采矿吗？

深海海底被视为生产电池所需矿物的潜在巨大来源，以推动向低碳能源系统的过渡，但快速、不受限制的开采将对深海生态系统产生严重影响，应该避免。我们提出了未来的替代途径。

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预览文章：通过低成本、高效和可持续的生物质阴极实现锂硫电池的复兴

尽管锂离子电池面临材料可持续性问题，但一种很有前途的替代锂硫（Li-S）电池却受到破坏性化学反应的影响。最近，Hou等人在Chem上提出了一种可行的解决方案：一种封装多硫化锂电解质。我们讨论了这一进展以及生物质作为锂硫电池阴极替代可持续材料的潜在作用。

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预览文章：锂离子电池高性能阴极电解质界面的设计原则

阴极电解质界面（CEI）对高压阴极材料的安全性和寿命至关重要。然而，锂离子电池中CEI的形成机制尚不清楚。在最近的一篇Matter文章中，张等人报道了一种实时形成机制。在这里，我们讨论了高性能CEI制造中的挑战，并提出了设计原则。

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预览文章：利用蓄热对建筑物和工业进行脱碳的热电联产

建筑和工业的脱碳既需要不间断的清洁电力，也需要零排放热量。在最近的一篇焦耳文章中，Datas等人表明，潜热热光伏热电池提供了一个有前途的解决方案。在这里，我们将讨论剩余的高温材料和热传输挑战，以及所需的额外进展。

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前瞻文章：在数字时代审视环境治理：观察、参与和干预的新方式

数字技术在应对气候变化和资源枯竭等环境挑战方面发挥着越来越重要的作用。然而，数字化环境治理的特征和影响仍在概念化阶段。从这个角度来看，我们区分了治理的三个维度：（1）看到和知道，（2）参与和参与，以及（3）干预和行动。对于每个维度，我们都提供了一个关于数字技术在治理中产生的变化的批判性视角。我们反对使用数字技术自动导致结果改善或决策更加民主的假设。相反，需要关注数字技术被提出、设计并用作环境治理工具的更广泛的政治和规范背景。最后，我们向学者和决策者提出了一些关键问题，以扩大关于负责任的设计和在环境治理中使用数字技术的辩论。

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前瞻文章：使手工和小规模金矿开采正规化：水俣会议的一大挑战

手工和小型金矿开采（ASGM）是世界上最大的人为汞排放源。这些都会对矿工的健康和环境造成毁灭性的后果。全球超过2000万名ASGM矿工中的大多数没有得到官方承认、注册、监管或州法律保护。正式化组织、注册和改革ASGM的过程是《水俣汞公约》规定的。此前减少ASGM汞排放的尝试基本上失败了。我们的观点认为，该公约的签署国只有通过以与矿工合作为中心的自下而上的全面正式化方法，以及来自消费者、大型矿业公司和政府的大量外部资金，才能成功减少ASGM汞的排放和释放。如果按每个国家进行扩展，这种方法的全球5年成本约为3.55亿美元（估计上限和下限：2.13-7.42亿美元），如果按每个矿工进行扩展，则为8.08亿美元（2.48亿美元-21.7亿美元）。

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前瞻文章: 包容性保护和2020年后全球生物多样性框架：紧张局势和前景

2020年后全球生物多样性框架草案致力于实现公平和正义的结果，代表着我们理解包容性保护的“关系转向”。尽管“包容性”被用作吸引不同利益相关者的手段，但扩大包容性的框架可能会在如何管理保护区方面产生新的紧张关系。我们首先提出了一系列在生物多样性保护的关系转变中出现的紧张局势。然后，通过运用多种包容性保护方法的全球案例，我们证明，通过积极参与相互依存的阶段，即认识到杂交性、为自反性和建立伙伴关系创造条件，紧张关系不仅可以得到承认，而且可以得到缓和，在某些情况下，在管理生物多样性、公平和正义目标时，可以得到重塑。研究结果可以改善利益相关者对保护区管理的参与，最终支持更好地实施全球生物多样性目标。

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原创研究：中国潜在饮食变化中的环境和人类健康权衡

确保全球范围内营养食品的安全供应是一项全球性挑战，尤其是对中国来说，在中国，改进的农业做法养活了世界上最多的人口，但也带来了多重环境挑战。中国人的饮食正在转向更多的肉类、水果和蔬菜，从而产生复杂的环境和健康后果。人们已经研究了替代饮食对气候和健康的影响。然而，研究缺口依然存在，尤其是在氮肥和牲畜粪便造成的空气污染以及土地利用变化方面。本文对四种饮食替代品进行了分析，以填补这些空白，并发现牛肉、奶制品和水果含量高的饮食会增加环境影响，但对健康的益处有限；多吃水果、蔬菜和豆类的饮食会大大减少与饮食相关的疾病负担，但会增加环境影响，除非减少乳制品和红肉；用大豆代替红肉的饮食可以创造多种环境效益，但对饮食健康的益处有限。

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原创研究：社会生态反馈驱动农业系统多样化的转折点

理解是什么推动了可持续土地管理做法的采用，对于设计有效的政策干预至关重要。利用访谈数据提供的程式化模型，我们展示了农民前瞻性管理决策和对这些决策的缓慢生态反应之间的反馈如何产生多样化农业实践采用模式的转折点。我们使用这个系统的模型来探索为什么土地保有政策和激励计划的持久性对于促进农民向可持续农业的转变至关重要。

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原创研究：生物质燃烧产生的棕色碳造成了北极周边地区的强烈变暖

北极快速变暖以及相关的冰川和海冰融化对全球环境产生了巨大影响，对全球气温上升和天气模式、航运路线、当地生物多样性和甲烷释放都有影响。温室气体和黑碳气溶胶是北极大气中积累的众所周知的增温剂，但全增温剂图片仍然不完整，妨碍了准确的预测。棕色碳是一种来自生物质和化石燃料燃烧的气溶胶，其影响尤其不清楚。通过对环北极巡航的观测和数值模式模拟，我们表明，吸收光的棕色碳（主要来自生物质燃烧）可以在北极产生强烈的变暖效应，尤其是在夏季。如果如预测的那样，野火的频率、强度和蔓延继续增加，这可能会加剧环北极变暖，进一步加剧全球变暖，形成积极的反馈。鉴于这些结果，对植被火灾的谨慎管理，尤其是在北半球中高纬度地区，将被证明对缓解北极地区的变暖非常重要。

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视觉地球：童工

在2021次联合国气候变化大会之后，越来越多的国家和汽车制造商承诺确保所有售出的车辆不晚于2040排放。这个雄心勃勃的目标只会是一个没有电池的白日梦，电池是电动汽车（EV）的心脏，同时也需要大量的关键金属，如钴。爱德华多·雷雷罗（Eduardo Relero）的《童工》（Child Labor）是为特赦组织（Amnesty）创作的一幅3D街头艺术画，描绘了在矿山劳动的儿童，为全球电动汽车电池制造商提取钴，让人们意识到刚果民主共和国非法剥削儿童的行为。

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One Earth

Volume 5 Issue 3

Mar 18, 2022

关于One Earth

作为Cell Press细胞出版社旗下地球科学类的首本期刊，One Earth 的创刊标志着我们正式涉足环境科学研究。作为Cell 的姊妹刊，One Earth 致力于发布顶级原创研究，并通过专业的编辑团队提供公平、快速和严格的同行评审流程（长按识别下图中的二维码访问 One Earth 期刊主页，了解更多详情）。

1974年，我们出版了首本旗舰期刊《细胞》。如今，CellPress已发展为拥有50多本期刊的全科学领域国际前沿学术出版社。我们坚信，科学的力量将永远造福人类。

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