2021年6月，總部位于加拿大(dà)安大(dà)略省的電(diàn)池回收商(shāng)Li-Cycle宣布，計劃年底前在美國紐約羅切斯特市開(kāi)始建設北(běi)美最大(dà)的锂離(lí)子電(diàn)池（LIB）回收廠。越來越多的汽車(chē)制造商(shāng)紛紛轉向電(diàn)動汽車(chē)（EV）領域，Li-Cycle公司的首席執行官Ajay Kochhar将這種變化所帶來的結果誇張地描述爲“電(diàn)池海嘯”（ battery tsunami）。
與此同時，關于如何處理大(dà)量廢舊(jiù)電(diàn)動汽車(chē)電(diàn)池的争論一(yī)直在繼續，而未來的一(yī)些方案——循環利用、重複利用、重新利用或多方法結合利用——到底哪種才是最佳方案？其對環境将産生(shēng)怎樣的影響？
國際能源機構的報告顯示，截至2020年年底，道路上行駛的電(diàn)動汽車(chē)數量已達1000萬輛，到2030年，這一(yī)數字将攀升至1.45億~2.3億輛（圖1）。這具體(tǐ)取決于政府在控制全國溫室氣體(tǐ)排放(fàng)、阻止氣候變暖方面付出的努力。
圖1 基于當前（2020年）公布的國家政策（中(zhōng)間和左側欄）和可持續發展形勢（右側欄），預計電(diàn)動汽車(chē)國際銷量如圖所示。橙色圓圈代表電(diàn)動汽車(chē)銷量占汽車(chē)總銷量的比例，紫色圓圈代表插電(diàn)式混合動力電(diàn)動汽車(chē)（PHEV）銷量在所有電(diàn)動汽車(chē)銷量中(zhōng)所占的比例。來源：International Energy Agency，經許可。
處理電(diàn)動汽車(chē)的廢舊(jiù)锂離(lí)子電(diàn)池是一(yī)項迫在眉睫的任務。目前來講，電(diàn)動汽車(chē)電(diàn)池循環利用方面的研究仍然處于初級階段，大(dà)部分(fēn)汽車(chē)生(shēng)産中(zhōng)産生(shēng)的廢料、回收物(wù)和預生(shēng)産車(chē)輛會被作爲廢棄物(wù)進行處理。美國能源部汽車(chē)技術辦公室（US Department of Energy’s Vehicle Technologies Office）的先進電(diàn)池循環研究發展中(zhōng)心ReCell的首席科學家Linda Gaines說：“目前最基本的問題是沒有足夠的用于回收利用的電(diàn)池原料。由于電(diàn)動汽車(chē)增速過快，大(dà)家都在讨論由此産生(shēng)的大(dà)量浪費(fèi)的問題。但是和投入使用的電(diàn)池數量相比，回收的廢舊(jiù)電(diàn)池數量可以說不值一(yī)提。”
不難理解，重複利用大(dà)量使用壽命耗盡的電(diàn)動汽車(chē)電(diàn)池會對環境造成一(yī)定的影響，但在循環利用及分(fēn)解廢舊(jiù)锂離(lí)子電(diàn)池時，面臨的不隻有商(shāng)業挑戰還有技術挑戰。其中(zhōng)一(yī)方面是電(diàn)池尺寸和所涉及的大(dà)量設計、化學程序、結構和生(shēng)産技術。例如，特斯拉model S 85 Mk1 汽車(chē)（2014）的電(diàn)池組包含16個電(diàn)池模塊，每個模塊有444個圓柱形電(diàn)池，而同年制造的日産葉子（Nissan Leaf） Mk1汽車(chē)的電(diàn)池組有48個模塊，每個模塊有4個大(dà)的軟包電(diàn)池。不同的汽車(chē)電(diàn)池連接的方式不同，也許是通過一(yī)定的壓力組合在一(yī)起，并加入不同含量的重要金屬成分(fēn)。最主要的原因還在于這些電(diàn)池本身被設計爲不可輕易分(fēn)開(kāi)、調整以及重複利用。
除了電(diàn)池結構，锂離(lí)子電(diàn)池成分(fēn)的化學構成和配比也在不斷升級（盡管大(dà)部分(fēn)電(diàn)動汽車(chē)锂離(lí)子電(diàn)池的正極是由鎳、錳和钴的富锂層狀過渡金屬氧化物(wù)組成）。這些金屬元素，尤其是鎳和钴，都是回收和提取高價值金屬元素過程（如鎳的火(huǒ)法冶金回收）中(zhōng)的主要目标。該過程包括将整個電(diàn)池組扔進熔爐中(zhōng)冶煉，然後取得目标金屬。過程會消耗大(dà)量能源，産生(shēng)有毒氣體(tǐ)，需要通過燃燒锂、塑料和電(diàn)池電(diàn)解液進行補救，可回收物(wù)質同時也會減少。從環境角度考慮，利用該方法解決電(diàn)動汽車(chē)電(diàn)池的回收利用仍存在争議。
另一(yī)種廣泛使用的方法就是濕法冶金再生(shēng)技術，這種方法對環境的影響相對較小(xiǎo)。該方法利用不同試劑，從正極材料中(zhōng)萃取重要金屬元素，其中(zhōng)包括锂。在獲得金屬元素之前，電(diàn)池必須被徹底切碎，在通常情況下(xià)被分(fēn)離(lí)爲三部分(fēn)——塑料、鋁/銅箔和正極/負極材料（圖2）。這本身就是一(yī)項具有挑戰性的任務。正/負極材料被稱爲“黑色物(wù)質”，用于濕法冶金，以提取有價值的金屬。
圖2 （a）在位于美國紐約州羅切斯特市的Li-Cycle公司的“Spoke”工(gōng)廠裏，各種各樣的锂離(lí)子電(diàn)池（圖中(zhōng)沒有電(diàn)動汽車(chē)電(diàn)池）正沿着傳送帶進行加工(gōng)；（b）切碎後的電(diàn)池材料被分(fēn)成塑料（頂部）、鋁/銅箔（中(zhōng)間）和正極/負極材料，被稱爲“黑色物(wù)質”（底部）；（c）通過濕法冶金技術，可在“黑色物(wù)質”中(zhōng)回收利用其中(zhōng)的鎳和钴。來源：Li-Cycle公司，經許可。
這種方法有一(yī)個特點，就是相對于冶煉法對環境的影響較小(xiǎo)，因此可以廣泛應用。Li-Cycle公司的首席技術官Chis Biederman說：“我(wǒ)們可以使用任何種類的锂離(lí)子電(diàn)池，無論其中(zhōng)的化學配方是什麽，無論它是電(diàn)動汽車(chē)、筆記本電(diàn)腦還是電(diàn)子煙裏的電(diàn)池，當這些電(diàn)池被切碎制成“黑色物(wù)質”的時候都是一(yī)樣的。”
Li-Cycle公司計劃采用“Spoke and Hub”模式，在北(běi)美地區建成全球最大(dà)的锂離(lí)子電(diàn)池回收再利用設施。目前，公司有兩個“Spoke”設施在運轉，一(yī)個在加拿大(dà)安大(dà)略省金斯頓市，另一(yī)個在美國紐約州羅切斯特市。這些設施可處理各種锂離(lí)子電(diàn)池，将其切碎并分(fēn)成三部分(fēn)，然後這些碎片被賣給其他公司進行回收利用。每個“Spoke”設施可以處理5000 t锂離(lí)子電(diàn)池，公司宣布計劃再建兩個，其中(zhōng)一(yī)個在亞利桑那州，另一(yī)個在阿拉巴馬州。預計在2023年年初完工(gōng)的羅切斯特市的“Hub”設施，每年将會運送相當于60 000 t電(diàn)池的“黑色物(wù)質”，Biederman說：“因爲金屬本身具有價值，所以我(wǒ)們目前選擇将‘黑色物(wù)質’銷售出去(qù)。但是從長遠考慮，‘Hub’技術的目的是要将‘黑色物(wù)質’作爲中(zhōng)間産物(wù)，并将其轉化爲能源材料，如硫酸钴、硫酸鎳和碳酸锂。”
電(diàn)動汽車(chē)的快速發展正在推動着電(diàn)池“超級工(gōng)廠”（gigafactory）在全球的發展。 “超級工(gōng)廠”這個詞的靈感部分(fēn)來自于其所指代的“數十億”這個數字，以及汽車(chē)制造商(shāng)特斯拉公司最初的汽車(chē)電(diàn)池工(gōng)廠——位于美國内華達州斯帕克斯市的特斯拉“超級工(gōng)廠”（Tesla Gigafactory）的啓發。2021年7月，日産汽車(chē)公司（Nissan）計劃在英國英格蘭的桑德蘭市建一(yī)個最大(dà)的電(diàn)池工(gōng)廠。瑞典汽車(chē)制造商(shāng)沃爾沃汽車(chē)公司和另一(yī)家公司Northvolt 聯手在瑞典謝萊夫特奧建立了一(yī)個名爲Northvolt Ett 的“超級工(gōng)廠”，以及一(yī)個主要的電(diàn)池循環利用工(gōng)廠。2019年，總部位于美國密歇根州底特律市的通用汽車(chē)公司（GM）與總部位于韓國首爾的LG化學展開(kāi)合作，在美國俄亥俄州的洛茲敦市成立了一(yī)個名爲Ultium Cells LLC的“超級工(gōng)廠”，2021年又(yòu)宣布計劃在美國田納西州的斯普林希爾市建設第二個23億美元的“超級工(gōng)廠”。與此同時，福特汽車(chē)公司也宣布一(yī)項耗資(zī)110億美元的計劃，即在美國建造三座電(diàn)池工(gōng)廠和一(yī)個電(diàn)動卡車(chē)工(gōng)廠。
一(yī)旦這些工(gōng)廠和其他類似的工(gōng)廠全部運行起來，将不僅産出大(dà)量的電(diàn)池，同時還會産生(shēng)電(diàn)池廢料。這些電(diàn)池廢料包括了沒能通過質量控制檢驗的電(diàn)動汽車(chē)電(diàn)池，爲提升電(diàn)池循環利用能力提供了一(yī)個契機，Biederman說：“工(gōng)廠的急劇擴張會産生(shēng)廢料，我(wǒ)們可以将這些廢料進行加工(gōng)，再放(fàng)回生(shēng)産線。與此相同，當廢舊(jiù)汽車(chē)電(diàn)池回到生(shēng)産鏈上時，我(wǒ)們也應該将其加工(gōng)，來獲取制作汽車(chē)電(diàn)池的原料。”
目前，大(dà)多數的锂離(lí)子電(diàn)池都在中(zhōng)國、日本和韓國生(shēng)産，這些國家的電(diàn)池循環利用方式不同于其他國家。Gavin Harper表示：“在中(zhōng)國，锂離(lí)子電(diàn)池的制造是垂直一(yī)體(tǐ)化的。” Gavin Harper是英國伯明翰大(dà)學法拉第研究所研究員(yuán)，也是法拉第研究所ReLiB項目的組員(yuán)。該研究所是英國進行電(diàn)化學能源儲存研究和早期商(shāng)業化的獨立機構。ReLiB項目旨在探究電(diàn)動汽車(chē)廢舊(jiù)電(diàn)池可持續管理所需要的條件。Harper說：“中(zhōng)國正在建設大(dà)量工(gōng)廠，提升自身回收電(diàn)池廢料的能力。”中(zhōng)國政府也非常重視電(diàn)池廢料的回收利用并制訂相關措施。2018年，中(zhōng)國工(gōng)業和信息化部出台了針對電(diàn)動汽車(chē)電(diàn)池廠商(shāng)的新規，其中(zhōng)包括要求制造商(shāng)對其産品實施标準化，以便對其進行拆解。新的生(shēng)産方式要求電(diàn)動汽車(chē)制造商(shāng)對其産品的整個生(shēng)命周期負責，包括對自身汽車(chē)産品中(zhōng)廢舊(jiù)電(diàn)池的循環利用負責。與此同時，歐盟（EU）在2020年出台了一(yī)項電(diàn)池新規，旨在确保電(diàn)池在歐盟市場的可持續利用。
雖然火(huǒ)法冶金和粉碎/濕法冶金技術目前在锂離(lí)子電(diàn)池回收中(zhōng)占主導地位，但具體(tǐ)到電(diàn)動汽車(chē)電(diàn)池，粉碎法并不是許多專家的首選方案。Harper認爲：“粉碎法是很好的選擇，因爲這種方法相對簡單。然而在ReLiB項目中(zhōng)，我(wǒ)們對這種主要生(shēng)産‘黑色物(wù)質’的方法提出質疑，因爲這會給電(diàn)池的後續處理造成困難。如果你能将電(diàn)池清楚地分(fēn)成正極、負極和電(diàn)池箔，那麽後續反應處理會更有效率，不必再進行返工(gōng)。”近期報道過這種将電(diàn)極和電(diàn)池箔的黏合劑迅速破壞的分(fēn)離(lí)方式或提取方式。
采用此項目進行電(diàn)池回收的另一(yī)個主要考慮因素是其具有作爲正極的金屬元素之外(wài)更大(dà)的價值。ReLiB項目組的組員(yuán)Gaines說：“正極中(zhōng)有钴、鎳等元素，但它們并不隻是以一(yī)種随機方式聚合在一(yī)起。因爲它們能使锂離(lí)子儲存在正極中(zhōng)并在電(diàn)池裏發生(shēng)反應，所以這些化合物(wù)的價值比元素單獨的價值要大(dà)得多。”然而，不同的電(diàn)池制造商(shāng)會使用不同的化學配方，因此一(yī)個特定的正極材料并不适用于所有電(diàn)池制造商(shāng)。她說：“這一(yī)觀點與早期直接回收的觀點是相反的，但是這也是電(diàn)池廠商(shāng)應該負責處理自己的廢料，而不是将其送往回收廠來冶煉或切割的一(yī)個原因。”
然而，目前美國電(diàn)動汽車(chē)的發展方向并非如此。例如，Ultium Cells LLC公司近期就和Li-Cycle公司達成一(yī)項協議，回收其洛茲敦汽車(chē)工(gōng)廠産生(shēng)的廢料。
火(huǒ)法冶金或濕法冶金都不是長期解決電(diàn)動汽車(chē)锂離(lí)子電(diàn)池回收問題的好辦法的另一(yī)個原因就是，這些辦法隻有在當電(diàn)池正極中(zhōng)含有高價值元素（如钴及少量的鎳）時才具有商(shāng)業上的可行性。這些元素不僅成本高昂，還需要通過本國政府不希望依賴的國際供應鏈來獲取。2022年6月份，美國聯邦先進電(diàn)池聯盟（US Federal Consortium for Advanced Batteries）發布了一(yī)份锂離(lí)子電(diàn)池國家藍(lán)圖，該藍(lán)圖和其他文件指出：在2030年之前，新锂離(lí)子電(diàn)池擺脫對鎳、钴元素的依賴。并且，特斯拉公司2020年宣布向無钴電(diàn)池轉型。
電(diàn)池設計和拆解的替代方案也正在開(kāi)發，力求做到既保留電(diàn)池的高價值結構，又(yòu)能在回收/翻新的過程中(zhōng)省去(qù)多餘的人力勞動。Gaines 說道：“電(diàn)動汽車(chē)電(diàn)池的一(yī)些特點會使其回收變得更容易，其中(zhōng)一(yī)個就是将其進行一(yī)定程度的标準化——如果有一(yī)種更小(xiǎo)的電(diàn)池或電(diàn)池組單元設計，就可以把拆解步驟自動化，而無需将電(diàn)池切碎，得到一(yī)堆亂七八糟的物(wù)質。” Harper對此表示贊同：“機器拆解和自動化方法将有可能在未來應用于任何種類的電(diàn)動汽車(chē)電(diàn)池。”
事實上，2021年8月，美國能源部田納西州的橡樹(shù)嶺國家實驗室的研究人員(yuán)展示了一(yī)種用于廢舊(jiù)電(diàn)動汽車(chē)電(diàn)池組拆解的機器人拆解系統。研究人員(yuán)聲稱該系統可以重新改裝任何種類的電(diàn)池組，并且機器人可被編程進入單個電(diàn)池模型，或将電(diàn)池組拆分(fēn)成單個電(diàn)池，便于發現物(wù)質。然而，這項技術還隻是在早期階段。
并且在許多情況下(xià)，回收前進行重複利用更有意義。例如，美國馬薩諸塞州劍橋市麻省理工(gōng)學院的一(yī)個項目組，主張重新利用換掉的電(diàn)動汽車(chē)電(diàn)池組，用于太陽能電(diàn)網儲能設施（對電(diàn)池性能的要求不像電(diàn)動汽車(chē)一(yī)樣嚴格）。Harper說道，事實上，目前有許多大(dà)規模的電(diàn)池重複利用項目正在進行。
雖然汽車(chē)電(diàn)池技術正在逐步發展，但锂離(lí)子電(diàn)池的循環利用在未來依然很難預測，标準汽車(chē)電(diàn)池的循環利用率要達到99%仍然是一(yī)個遙遠的目标。目前我(wǒ)們可以确定的是，各種形式的電(diàn)動汽車(chē)锂離(lí)子電(diàn)池的循環利用在未來都會是很大(dà)的挑戰。Harper說道：“但不論廢舊(jiù)電(diàn)池中(zhōng)能轉移的價值有多少，要想在全球實現更加可持續、可循環的經濟，就必須要接受這種挑戰。雖然塑料袋、報紙(zhǐ)和玻璃在本質上不具有價值，但我(wǒ)們都應該将其進行循環利用，而不是進行垃圾填埋。不管最後采用的是哪種電(diàn)池技術，循環利用都是我(wǒ)們唯一(yī)的選擇。”
文章轉載自微信公衆号：DT新材料
