2021年6月，總部位于加拿大安大略省的電池回收商Li-Cycle宣布，計劃年底前在美國紐約羅切斯特市開(kāi)始建設北美最大的鋰離子電池（LIB）回收廠(chǎng)。越來(lái)越多的汽車(chē)制造商紛紛轉向電動(dòng)汽車(chē)（EV）領(lǐng)域，Li-Cycle公司的首席執行官Ajay Kochhar將這種變化所帶來(lái)的結果夸張地描述為“電池海嘯”（ battery tsunami）。

與此同時(shí)，關(guān)于如何處理大量廢舊電動(dòng)汽車(chē)電池的爭論一直在繼續，而未來(lái)的一些方案——循環(huán)利用、重復利用、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(huán)境將產(chǎn)生怎樣的影響？

國際能源機構的報告顯示，截至2020年年底，道路上行駛的電動(dòng)汽車(chē)數量已達1000萬(wàn)輛，到2030年，這一數字將攀升至1.45億~2.3億輛（圖1）。這具體取決于政府在控制全國溫室氣體排放、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（中間和左側欄）和可持續發(fā)展形勢（右側欄），預計電動(dòng)汽車(chē)國際銷(xiāo)量如圖所示。橙色圓圈代表電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量占汽車(chē)總銷(xiāo)量的比例，紫色圓圈代表插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)（PHEV）銷(xiāo)量在所有電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量中所占的比例。來(lái)源：International Energy Agency，經(jīng)許可。

處理電動(dòng)汽車(chē)的廢舊鋰離子電池是一項迫在眉睫的任務(wù)。目前來(lái)講，電動(dòng)汽車(chē)電池循環(huán)利用方面的研究仍然處于初級階段，大部分汽車(chē)生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢料、回收物和預生產(chǎn)車(chē)輛會(huì )被作為廢棄物進(jìn)行處理。美國能源部汽車(chē)技術(shù)辦公室（US Department of Energy’s Vehicle Technologies Office）的先進(jìn)電池循環(huán)研究發(fā)展中心ReCell的首席科學(xué)家Linda Gaines說(shuō)：“目前最基本的問(wèn)題是沒(méi)有足夠的用于回收利用的電池原料。由于電動(dòng)汽車(chē)增速過(guò)快，大家都在討論由此產(chǎn)生的大量浪費的問(wèn)題。但是和投入使用的電池數量相比，回收的廢舊電池數量可以說(shuō)不值一提?！?

不難理解，重復利用大量使用壽命耗盡的電動(dòng)汽車(chē)電池會(huì )對環(huán)境造成一定的影響，但在循環(huán)利用及分解廢舊鋰離子電池時(shí)，面臨的不只有商業(yè)挑戰還有技術(shù)挑戰。其中一方面是電池尺寸和所涉及的大量設計、化學(xué)程序、結構和生產(chǎn)技術(shù)。例如，特斯拉model S 85 Mk1 汽車(chē)（2014）的電池組包含16個(gè)電池模塊，每個(gè)模塊有444個(gè)圓柱形電池，而同年制造的日產(chǎn)葉子（Nissan Leaf） Mk1汽車(chē)的電池組有48個(gè)模塊，每個(gè)模塊有4個(gè)大的軟包電池。不同的汽車(chē)電池連接的方式不同，也許是通過(guò)一定的壓力組合在一起，并加入不同含量的重要金屬成分。最主要的原因還在于這些電池本身被設計為不可輕易分開(kāi)、調整以及重復利用。

除了電池結構，鋰離子電池成分的化學(xué)構成和配比也在不斷升級（盡管大部分電動(dòng)汽車(chē)鋰離子電池的正極是由鎳、錳和鈷的富鋰層狀過(guò)渡金屬氧化物組成）。這些金屬元素，尤其是鎳和鈷，都是回收和提取高價(jià)值金屬元素過(guò)程（如鎳的火法冶金回收）中的主要目標。該過(guò)程包括將整個(gè)電池組扔進(jìn)熔爐中冶煉，然后取得目標金屬。過(guò)程會(huì )消耗大量能源，產(chǎn)生有毒氣體，需要通過(guò)燃燒鋰、塑料和電池電解液進(jìn)行補救，可回收物質(zhì)同時(shí)也會(huì )減少。從環(huán)境角度考慮，利用該方法解決電動(dòng)汽車(chē)電池的回收利用仍存在爭議。

另一種廣泛使用的方法就是濕法冶金再生技術(shù)，這種方法對環(huán)境的影響相對較小。該方法利用不同試劑，從正極材料中萃取重要金屬元素，其中包括鋰。在獲得金屬元素之前，電池必須被徹底切碎，在通常情況下被分離為三部分——塑料、鋁/銅箔和正極/負極材料（圖2）。這本身就是一項具有挑戰性的任務(wù)。正/負極材料被稱(chēng)為“黑色物質(zhì)”，用于濕法冶金，以提取有價(jià)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”工廠(chǎng)里，各種各樣的鋰離子電池（圖中沒(méi)有電動(dòng)汽車(chē)電池）正沿著(zhù)傳送帶進(jìn)行加工；（b）切碎后的電池材料被分成塑料（頂部）、鋁/銅箔（中間）和正極/負極材料，被稱(chēng)為“黑色物質(zhì)”（底部）；（c）通過(guò)濕法冶金技術(shù)，可在“黑色物質(zhì)”中回收利用其中的鎳和鈷。來(lái)源：Li-Cycle公司，經(jīng)許可。

這種方法有一個(gè)特點(diǎn)，就是相對于冶煉法對環(huán)境的影響較小，因此可以廣泛應用。Li-Cycle公司的首席技術(shù)官Chis Biederman說(shuō)：“我們可以使用任何種類(lèi)的鋰離子電池，無(wú)論其中的化學(xué)配方是什么，無(wú)論它是電動(dòng)汽車(chē)、筆記本電腦還是電子煙里的電池，當這些電池被切碎制成“黑色物質(zhì)”的時(shí)候都是一樣的?！?

Li-Cycle公司計劃采用“Spoke and Hub”模式，在北美地區建成全球最大的鋰離子電池回收再利用設施。目前，公司有兩個(gè)“Spoke”設施在運轉，一個(gè)在加拿大安大略省金斯頓市，另一個(gè)在美國紐約州羅切斯特市。這些設施可處理各種鋰離子電池，將其切碎并分成三部分，然后這些碎片被賣(mài)給其他公司進(jìn)行回收利用。每個(gè)“Spoke”設施可以處理5000 t鋰離子電池，公司宣布計劃再建兩個(gè)，其中一個(gè)在亞利桑那州，另一個(gè)在阿拉巴馬州。預計在2023年年初完工的羅切斯特市的“Hub”設施，每年將會(huì )運送相當于60 000 t電池的“黑色物質(zhì)”，Biederman說(shuō)：“因為金屬本身具有價(jià)值，所以我們目前選擇將‘黑色物質(zhì)’銷(xiāo)售出去。但是從長(cháng)遠考慮，‘Hub’技術(shù)的目的是要將‘黑色物質(zhì)’作為中間產(chǎn)物，并將其轉化為能源材料，如硫酸鈷、硫酸鎳和碳酸鋰?！?

電動(dòng)汽車(chē)的快速發(fā)展正在推動(dòng)著(zhù)電池“超級工廠(chǎng)”（gigafactory）在全球的發(fā)展。 “超級工廠(chǎng)”這個(gè)詞的靈感部分來(lái)自于其所指代的“數十億”這個(gè)數字，以及汽車(chē)制造商特斯拉公司最初的汽車(chē)電池工廠(chǎng)——位于美國內華達州斯帕克斯市的特斯拉“超級工廠(chǎng)”（Tesla Gigafactory）的啟發(fā)。2021年7月，日產(chǎn)汽車(chē)公司（Nissan）計劃在英國英格蘭的桑德蘭市建一個(gè)最大的電池工廠(chǎng)。瑞典汽車(chē)制造商沃爾沃汽車(chē)公司和另一家公司Northvolt 聯(lián)手在瑞典謝萊夫特奧建立了一個(gè)名為Northvolt Ett 的“超級工廠(chǎng)”，以及一個(gè)主要的電池循環(huán)利用工廠(chǎng)。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(xué)展開(kāi)合作，在美國俄亥俄州的洛茲敦市成立了一個(gè)名為Ultium Cells LLC的“超級工廠(chǎng)”，2021年又宣布計劃在美國田納西州的斯普林希爾市建設第二個(gè)23億美元的“超級工廠(chǎng)”。與此同時(shí)，福特汽車(chē)公司也宣布一項耗資110億美元的計劃，即在美國建造三座電池工廠(chǎng)和一個(gè)電動(dòng)卡車(chē)工廠(chǎng)。

一旦這些工廠(chǎng)和其他類(lèi)似的工廠(chǎng)全部運行起來(lái)，將不僅產(chǎn)出大量的電池，同時(shí)還會(huì )產(chǎn)生電池廢料。這些電池廢料包括了沒(méi)能通過(guò)質(zhì)量控制檢驗的電動(dòng)汽車(chē)電池，為提升電池循環(huán)利用能力提供了一個(gè)契機，Biederman說(shuō)：“工廠(chǎng)的急劇擴張會(huì )產(chǎn)生廢料，我們可以將這些廢料進(jìn)行加工，再放回生產(chǎn)線(xiàn)。與此相同，當廢舊汽車(chē)電池回到生產(chǎn)鏈上時(shí)，我們也應該將其加工，來(lái)獲取制作汽車(chē)電池的原料?！?

目前，大多數的鋰離子電池都在中國、日本和韓國生產(chǎn)，這些國家的電池循環(huán)利用方式不同于其他國家。Gavin Harper表示：“在中國，鋰離子電池的制造是垂直一體化的?！?Gavin Harper是英國伯明翰大學(xué)法拉第研究所研究員，也是法拉第研究所ReLiB項目的組員。該研究所是英國進(jìn)行電化學(xué)能源儲存研究和早期商業(yè)化的獨立機構。ReLiB項目旨在探究電動(dòng)汽車(chē)廢舊電池可持續管理所需要的條件。Harper說(shuō)：“中國正在建設大量工廠(chǎng)，提升自身回收電池廢料的能力?！敝袊卜浅Ｖ匾曤姵貜U料的回收利用并制訂相關(guān)措施。2018年，中國工業(yè)和信息化部出臺了針對電動(dòng)汽車(chē)電池廠(chǎng)商的新規，其中包括要求制造商對其產(chǎn)品實(shí)施標準化，以便對其進(jìn)行拆解。新的生產(chǎn)方式要求電動(dòng)汽車(chē)制造商對其產(chǎn)品的整個(gè)生命周期負責，包括對自身汽車(chē)產(chǎn)品中廢舊電池的循環(huán)利用負責。與此同時(shí)，歐盟（EU）在2020年出臺了一項電池新規，旨在確保電池在歐盟市場(chǎng)的可持續利用。

雖然火法冶金和粉碎/濕法冶金技術(shù)目前在鋰離子電池回收中占主導地位，但具體到電動(dòng)汽車(chē)電池，粉碎法并不是許多專(zhuān)家的首選方案。Harper認為：“粉碎法是很好的選擇，因為這種方法相對簡(jiǎn)單。然而在ReLiB項目中，我們對這種主要生產(chǎn)‘黑色物質(zhì)’的方法提出質(zhì)疑，因為這會(huì )給電池的后續處理造成困難。如果你能將電池清楚地分成正極、負極和電池箔，那么后續反應處理會(huì )更有效率，不必再進(jìn)行返工?！苯趫蟮肋^(guò)這種將電極和電池箔的黏合劑迅速破壞的分離方式或提取方式。

采用此項目進(jìn)行電池回收的另一個(gè)主要考慮因素是其具有作為正極的金屬元素之外更大的價(jià)值。ReLiB項目組的組員Gaines說(shuō)：“正極中有鈷、鎳等元素，但它們并不只是以一種隨機方式聚合在一起。因為它們能使鋰離子儲存在正極中并在電池里發(fā)生反應，所以這些化合物的價(jià)值比元素單獨的價(jià)值要大得多?！比欢?，不同的電池制造商會(huì )使用不同的化學(xué)配方，因此一個(gè)特定的正極材料并不適用于所有電池制造商。她說(shuō)：“這一觀(guān)點(diǎn)與早期直接回收的觀(guān)點(diǎn)是相反的，但是這也是電池廠(chǎng)商應該負責處理自己的廢料，而不是將其送往回收廠(chǎng)來(lái)冶煉或切割的一個(gè)原因?！?

然而，目前美國電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展方向并非如此。例如，Ultium Cells LLC公司近期就和Li-Cycle公司達成一項協(xié)議，回收其洛茲敦汽車(chē)工廠(chǎng)產(chǎn)生的廢料。

火法冶金或濕法冶金都不是長(cháng)期解決電動(dòng)汽車(chē)鋰離子電池回收問(wèn)題的好辦法的另一個(gè)原因就是，這些辦法只有在當電池正極中含有高價(jià)值元素（如鈷及少量的鎳）時(shí)才具有商業(yè)上的可行性。這些元素不僅成本高昂，還需要通過(guò)本國政府不希望依賴(lài)的國際供應鏈來(lái)獲取。2022年6月份，美國聯(lián)邦先進(jìn)電池聯(lián)盟（US Federal Consortium for Advanced Batteries）發(fā)布了一份鋰離子電池國家藍圖，該藍圖和其他文件指出：在2030年之前，新鋰離子電池擺脫對鎳、鈷元素的依賴(lài)。并且，特斯拉公司2020年宣布向無(wú)鈷電池轉型。

電池設計和拆解的替代方案也正在開(kāi)發(fā)，力求做到既保留電池的高價(jià)值結構，又能在回收/翻新的過(guò)程中省去多余的人力勞動(dòng)。Gaines 說(shuō)道：“電動(dòng)汽車(chē)電池的一些特點(diǎn)會(huì )使其回收變得更容易，其中一個(gè)就是將其進(jìn)行一定程度的標準化——如果有一種更小的電池或電池組單元設計，就可以把拆解步驟自動(dòng)化，而無(wú)需將電池切碎，得到一堆亂七八糟的物質(zhì)?！?Harper對此表示贊同：“機器拆解和自動(dòng)化方法將有可能在未來(lái)應用于任何種類(lèi)的電動(dòng)汽車(chē)電池?！?

事實(shí)上，2021年8月，美國能源部田納西州的橡樹(shù)嶺國家實(shí)驗室的研究人員展示了一種用于廢舊電動(dòng)汽車(chē)電池組拆解的機器人拆解系統。研究人員聲稱(chēng)該系統可以重新改裝任何種類(lèi)的電池組，并且機器人可被編程進(jìn)入單個(gè)電池模型，或將電池組拆分成單個(gè)電池，便于發(fā)現物質(zhì)。然而，這項技術(shù)還只是在早期階段。

并且在許多情況下，回收前進(jìn)行重復利用更有意義。例如，美國馬薩諸塞州劍橋市麻省理工學(xué)院的一個(gè)項目組，主張重新利用換掉的電動(dòng)汽車(chē)電池組，用于太陽(yáng)能電網(wǎng)儲能設施（對電池性能的要求不像電動(dòng)汽車(chē)一樣嚴格）。Harper說(shuō)道，事實(shí)上，目前有許多大規模的電池重復利用項目正在進(jìn)行。

雖然汽車(chē)電池技術(shù)正在逐步發(fā)展，但鋰離子電池的循環(huán)利用在未來(lái)依然很難預測，標準汽車(chē)電池的循環(huán)利用率要達到99%仍然是一個(gè)遙遠的目標。目前我們可以確定的是，各種形式的電動(dòng)汽車(chē)鋰離子電池的循環(huán)利用在未來(lái)都會(huì )是很大的挑戰。Harper說(shuō)道：“但不論廢舊電池中能轉移的價(jià)值有多少，要想在全球實(shí)現更加可持續、可循環(huán)的經(jīng)濟，就必須要接受這種挑戰。雖然塑料袋、報紙和玻璃在本質(zhì)上不具有價(jià)值，但我們都應該將其進(jìn)行循環(huán)利用，而不是進(jìn)行垃圾填埋。不管最后采用的是哪種電池技術(shù)，循環(huán)利用都是我們唯一的選擇?！?

文章轉載自微信公眾號：DT新材料