新能源电池回收，面临哪些挑战？

本文来自微信公众号：中国工程院院刊 （ID：CAE-Engineering），作者：Sean O'Neill，原文标题：《电动汽车蓬勃发展，电池回收面临挑战丨Engineering》，头图来自：视觉中国

随着电动汽车的普及，处理电动汽车的废旧锂离子电池成为一项迫在眉睫的任务。目前来讲，电动汽车电池循环利用方面的研究仍然处于初级阶段，如何处理大量废旧电动汽车电池的争论一直在继续，大部分汽车生产中产生的废料、回收物和预生产车辆会被作为废弃物进行处理。

中国工程院院刊《Engineering》2021年第12期刊发《电动汽车蓬勃发展，电池回收面临挑战》一文，报道了废旧电动汽车电池回收的多种方法，如火法冶金回收、湿法冶金再生技术等，并分析了各种回收方法的优劣势及应用难易程度。

文章指出，重复利用大量使用寿命耗尽的电动汽车电池会对环境造成一定的影响，但在循环利用及分解废旧锂离子电池时，面临的不只有商业挑战还有技术挑战，但不管采用何种电池技术，循环利用都是唯一的选择。

2021年6月，总部位于加拿大安大略省的电池回收商Li-Cycle宣布，计划年底前在美国纽约罗切斯特市开始建设北美最大的锂离子电池（LIB）回收厂。越来越多的汽车制造商纷纷转向电动汽车（EV）领域，Li-Cycle公司的首席执行官Ajay Kochhar将这种变化所带来的结果夸张地描述为“电池海啸”（ battery tsunami）。

与此同时，关于如何处理大量废旧电动汽车电池的争论一直在继续，而未来的一些方案——循环利用、重复利用、重新利用或多方法结合利用——到底哪种才是最佳方案？其对环境将产生怎样的影响？

国际能源机构的报告显示，截至2020年年底，道路上行驶的电动汽车数量已达1000万辆，到2030年，这一数字将攀升至1.45亿~2.3亿辆（图1）。这具体取决于政府在控制全国温室气体排放、阻止气候变暖方面付出的努力。

图1 基于当前（2020年）公布的国家政策（中间和左侧栏）和可持续发展形势（右侧栏），预计电动汽车国际销量如图所示。橙色圆圈代表电动汽车销量占汽车总销量的比例，紫色圆圈代表插电式混合动力电动汽车（PHEV）销量在所有电动汽车销量中所占的比例。来源：International Energy Agency，经许可。

处理电动汽车的废旧锂离子电池是一项迫在眉睫的任务。目前来讲，电动汽车电池循环利用方面的研究仍然处于初级阶段，大部分汽车生产中产生的废料、回收物和预生产车辆会被作为废弃物进行处理。美国能源部汽车技术办公室（US Department of Energy’s Vehicle Technologies Office）的先进电池循环研究发展中心ReCell的首席科学家Linda Gaines说：“目前最基本的问题是没有足够的用于回收利用的电池原料。由于电动汽车增速过快，大家都在讨论由此产生的大量浪费的问题。但是和投入使用的电池数量相比，回收的废旧电池数量可以说不值一提。”

不难理解，重复利用大量使用寿命耗尽的电动汽车电池会对环境造成一定的影响，但在循环利用及分解废旧锂离子电池时，面临的不只有商业挑战还有技术挑战。其中一方面是电池尺寸和所涉及的大量设计、化学程序、结构和生产技术。例如，特斯拉model S 85 Mk1 汽车（2014）的电池组包含16个电池模块，每个模块有444个圆柱形电池，而同年制造的日产叶子（Nissan Leaf） Mk1汽车的电池组有48个模块，每个模块有4个大的软包电池。不同的汽车电池连接的方式不同，也许是通过一定的压力组合在一起，并加入不同含量的重要金属成分。最主要的原因还在于这些电池本身被设计为不可轻易分开、调整以及重复利用。

除了电池结构，锂离子电池成分的化学构成和配比也在不断升级（尽管大部分电动汽车锂离子电池的正极是由镍、锰和钴的富锂层状过渡金属氧化物组成）。这些金属元素，尤其是镍和钴，都是回收和提取高价值金属元素过程（如镍的火法冶金回收）中的主要目标。该过程包括将整个电池组扔进熔炉中冶炼，然后取得目标金属。过程会消耗大量能源，产生有毒气体，需要通过燃烧锂、塑料和电池电解液进行补救，可回收物质同时也会减少。从环境角度考虑，利用该方法解决电动汽车电池的回收利用仍存在争议。

另一种广泛使用的方法就是湿法冶金再生技术，这种方法对环境的影响相对较小。该方法利用不同试剂，从正极材料中萃取重要金属元素，其中包括锂。在获得金属元素之前，电池必须被彻底切碎，在通常情况下被分离为三部分——塑料、铝/铜箔和正极/负极材料（图2）。这本身就是一项具有挑战性的任务。正/负极材料被称为“黑色物质”，用于湿法冶金，以提取有价值的金属。

图2 （a）在位于美国纽约州罗切斯特市的Li-Cycle公司的“Spoke”工厂里，各种各样的锂离子电池（图中没有电动汽车电池）正沿着传送带进行加工；（b）切碎后的电池材料被分成塑料（顶部）、铝/铜箔（中间）和正极/负极材料，被称为“黑色物质”（底部）；（c）通过湿法冶金技术，可在“黑色物质”中回收利用其中的镍和钴。来源：Li-Cycle公司，经许可。

这种方法有一个特点，就是相对于冶炼法对环境的影响较小，因此可以广泛应用。Li-Cycle公司的首席技术官Chis Biederman说：“我们可以使用任何种类的锂离子电池，无论其中的化学配方是什么，无论它是电动汽车、笔记本电脑还是电子烟里的电池，当这些电池被切碎制成“黑色物质”的时候都是一样的。”

Li-Cycle公司计划采用“Spoke and Hub”模式，在北美地区建成全球最大的锂离子电池回收再利用设施。目前，公司有两个“Spoke”设施在运转，一个在加拿大安大略省金斯顿市，另一个在美国纽约州罗切斯特市。这些设施可处理各种锂离子电池，将其切碎并分成三部分，然后这些碎片被卖给其他公司进行回收利用。每个“Spoke”设施可以处理5000 t锂离子电池，公司宣布计划再建两个，其中一个在亚利桑那州，另一个在阿拉巴马州。预计在2023年年初完工的罗切斯特市的“Hub”设施，每年将会运送相当于60 000 t电池的“黑色物质”，Biederman说：“因为金属本身具有价值，所以我们目前选择将‘黑色物质’销售出去。但是从长远考虑，‘Hub’技术的目的是要将‘黑色物质’作为中间产物，并将其转化为能源材料，如硫酸钴、硫酸镍和碳酸锂。”

电动汽车的快速发展正在推动着电池“超级工厂”（gigafactory）在全球的发展。 “超级工厂”这个词的灵感部分来自于其所指代的“数十亿”这个数字，以及汽车制造商特斯拉公司最初的汽车电池工厂——位于美国内华达州斯帕克斯市的特斯拉“超级工厂”（Tesla Gigafactory）的启发。2021年7月，日产汽车公司（Nissan）计划在英国英格兰的桑德兰市建一个最大的电池工厂。瑞典汽车制造商沃尔沃汽车公司和另一家公司Northvolt 联手在瑞典谢莱夫特奥建立了一个名为Northvolt Ett 的“超级工厂”，以及一个主要的电池循环利用工厂。2019年，总部位于美国密歇根州底特律市的通用汽车公司（GM）与总部位于韩国首尔的LG化学展开合作，在美国俄亥俄州的洛兹敦市成立了一个名为Ultium Cells LLC的“超级工厂”，2021年又宣布计划在美国田纳西州的斯普林希尔市建设第二个23亿美元的“超级工厂”。与此同时，福特汽车公司也宣布一项耗资110亿美元的计划，即在美国建造三座电池工厂和一个电动卡车工厂。

一旦这些工厂和其他类似的工厂全部运行起来，将不仅产出大量的电池，同时还会产生电池废料。这些电池废料包括了没能通过质量控制检验的电动汽车电池，为提升电池循环利用能力提供了一个契机，Biederman说：“工厂的急剧扩张会产生废料，我们可以将这些废料进行加工，再放回生产线。与此相同，当废旧汽车电池回到生产链上时，我们也应该将其加工，来获取制作汽车电池的原料。”

目前，大多数的锂离子电池都在中国、日本和韩国生产，这些国家的电池循环利用方式不同于其他国家。Gavin Harper表示：“在中国，锂离子电池的制造是垂直一体化的。” Gavin Harper是英国伯明翰大学法拉第研究所研究员，也是法拉第研究所ReLiB项目的组员。该研究所是英国进行电化学能源储存研究和早期商业化的独立机构。ReLiB项目旨在探究电动汽车废旧电池可持续管理所需要的条件。Harper说：“中国正在建设大量工厂，提升自身回收电池废料的能力。”

中国政府也非常重视电池废料的回收利用并制订相关措施。2018年，中国工业和信息化部出台了针对电动汽车电池厂商的新规，其中包括要求制造商对其产品实施标准化，以便对其进行拆解。新的生产方式要求电动汽车制造商对其产品的整个生命周期负责，包括对自身汽车产品中废旧电池的循环利用负责。与此同时，欧盟（EU）在2020年出台了一项电池新规，旨在确保电池在欧盟市场的可持续利用。

虽然火法冶金和粉碎/湿法冶金技术目前在锂离子电池回收中占主导地位，但具体到电动汽车电池，粉碎法并不是许多专家的首选方案。Harper认为：“粉碎法是很好的选择，因为这种方法相对简单。然而在ReLiB项目中，我们对这种主要生产‘黑色物质’的方法提出质疑，因为这会给电池的后续处理造成困难。如果你能将电池清楚地分成正极、负极和电池箔，那么后续反应处理会更有效率，不必再进行返工。”近期报道过这种将电极和电池箔的黏合剂迅速破坏的分离方式或提取方式。

采用此项目进行电池回收的另一个主要考虑因素是其具有作为正极的金属元素之外更大的价值。ReLiB项目组的组员Gaines说：“正极中有钴、镍等元素，但它们并不只是以一种随机方式聚合在一起。因为它们能使锂离子储存在正极中并在电池里发生反应，所以这些化合物的价值比元素单独的价值要大得多。”然而，不同的电池制造商会使用不同的化学配方，因此一个特定的正极材料并不适用于所有电池制造商。她说：“这一观点与早期直接回收的观点是相反的，但是这也是电池厂商应该负责处理自己的废料，而不是将其送往回收厂来冶炼或切割的一个原因。”

然而，目前美国电动汽车的发展方向并非如此。例如，Ultium Cells LLC公司近期就和Li-Cycle公司达成一项协议，回收其洛兹敦汽车工厂产生的废料。

火法冶金或湿法冶金都不是长期解决电动汽车锂离子电池回收问题的好办法的另一个原因就是，这些办法只有在当电池正极中含有高价值元素（如钴及少量的镍）时才具有商业上的可行性。这些元素不仅成本高昂，还需要通过本国政府不希望依赖的国际供应链来获取。2022年6月份，美国联邦先进电池联盟（US Federal Consortium for Advanced Batteries）发布了一份锂离子电池国家蓝图，该蓝图和其他文件指出：在2030年之前，新锂离子电池摆脱对镍、钴元素的依赖。并且，特斯拉公司2020年宣布向无钴电池转型。

电池设计和拆解的替代方案也正在开发，力求做到既保留电池的高价值结构，又能在回收/翻新的过程中省去多余的人力劳动。Gaines 说道：“电动汽车电池的一些特点会使其回收变得更容易，其中一个就是将其进行一定程度的标准化——如果有一种更小的电池或电池组单元设计，就可以把拆解步骤自动化，而无需将电池切碎，得到一堆乱七八糟的物质。” Harper对此表示赞同：“机器拆解和自动化方法将有可能在未来应用于任何种类的电动汽车电池。”

事实上，2021年8月，美国能源部田纳西州的橡树岭国家实验室的研究人员展示了一种用于废旧电动汽车电池组拆解的机器人拆解系统。研究人员声称该系统可以重新改装任何种类的电池组，并且机器人可被编程进入单个电池模型，或将电池组拆分成单个电池，便于发现物质。然而，这项技术还只是在早期阶段。

并且在许多情况下，回收前进行重复利用更有意义。例如，美国马萨诸塞州剑桥市麻省理工学院的一个项目组，主张重新利用换掉的电动汽车电池组，用于太阳能电网储能设施（对电池性能的要求不像电动汽车一样严格）。Harper说道，事实上，目前有许多大规模的电池重复利用项目正在进行。

虽然汽车电池技术正在逐步发展，但锂离子电池的循环利用在未来依然很难预测，标准汽车电池的循环利用率要达到99%仍然是一个遥远的目标。目前我们可以确定的是，各种形式的电动汽车锂离子电池的循环利用在未来都会是很大的挑战。Harper说道：“但不论废旧电池中能转移的价值有多少，要想在全球实现更加可持续、可循环的经济，就必须要接受这种挑战。虽然塑料袋、报纸和玻璃在本质上不具有价值，但我们都应该将其进行循环利用，而不是进行垃圾填埋。不管最后采用的是哪种电池技术，循环利用都是我们唯一的选择。”

原文：

Sean O’Neill.Battery Recycling Challenge Looms as Electric Vehicle Business Booms[J].Engineering，2021，7(12):1657-1660.

本文来自微信公众号：中国工程院院刊 （ID：CAE-Engineering），作者：Sean O'Neill