如何回收数以百万计的废旧电动车电池？-视讯

来源：中科院物理所 | 2022-10-31 08:52:52

核心观点：在美国内华达州等地，企业家们期待着即将到来的电动汽车锂离子电池报废热潮，并希望为回收的矿物创造一个市场。

(资料图片仅供参考)

向内华达州里诺市以东30行驶英里，经过布满灰尘、点缀着淡蓝色鼠尾草的山丘和偶尔出现的人身伤害律师广告牌，一座巨大的混凝土建筑赫然耸立在沙漠中。完全建成后，它将成为一项商业的试点，企业家们将其视为美国未来绿色经济的一个重要方面：锂离子电池回收。

建筑经理查克·莱伯指出了卡车卸下电池的区域，以及房间里用来收集泄漏化学品的深层排水管。他向我展示了建筑下方的两英尺厚的混凝土板，这是一个坚实的地基，以便工人们移动设备和调整厂房，从而改进回收过程。今年晚些时候，第一批电池将在这里进行处理，最终目标是逐步提高到每年处理2万吨电池。

这座占地6万平方英尺的工厂由美国电池技术公司所拥有，这是一项积极的探索，旨在解决电动汽车带来的环境问题——生产它们的电池组需要大量的资源。这也是在考验商业领袖能否兑现他们帮助建立循环经济的承诺：在循环经济中，材料可以无限期地重复使用，最大限度地减少从地球上不断开采更多矿物的需求。

自2019年以来，电动汽车在汽车市场上的份额增加了两倍多，2021年全球销量达到660万辆。在降低气候影响的压力及直接的监管下，许多汽车制造商已经承诺在2040年前停止销售新的燃油汽车。“我们的目标是在五年内让数千万辆电动汽车上路，”可持续发展咨询公司Anthesis Group的亚历山大·米洛瓦诺夫说，他研究了电动汽车转型将如何影响美国的电网，“我们谈论的是一个正在爆炸式增长的市场。”

为了满足不断增长的电动车电池需求，美国政府和企业正在投资国内所需矿物的开采——包括镍、锰、钴和锂（其价格在2021年增长到四倍多）。他们同时也在寻找方法，通过回收利用来减少对新开采材料的依赖。2022年3月，美国总统乔·拜登援引《国防生产法》来增加高需求矿物的供应，引导国内对采矿和其他形式的回收进行投资。

美国电池技术公司希望在内华达州费恩利建造一座占地6万平方英尺的锂离子工厂，以加速国内的电池回收。（图源：美国电池技术公司）

研究人员表示，解决回收利用问题有助于避免持续采矿和有害电池废弃物积累带来的环境风险，然而对这些电池进行再加工和提炼其中的金属以供重复使用既困难又昂贵，而且许多人仍然怀疑这种电池供应链能否持续运作。“电动汽车电池是一项高度复合的技术，其中包含许多不同的组件，因此回收设施将会非常复杂，”加州大学河滨分校的地质学家迈克尔·麦吉本说，“从长远来看，这很重要；但从短期来看，它还有很长的路要走。”

提取特定矿物

为了给汽车供电，电池中的电子从负极（即阳极）移动到正极（阴极）。通常情况下，阳极由铜和石墨制成，而阴极由一类称为锂金属氧化物的化合物组成，含有锂以及钴、锰和镍等其他金属。

所有这些金属都必须提取出来，而且仅靠回收还不能满足市场需求。尽管美国有很多铜矿（并从废品回收中获得相当大一部分铜），但锂离子电池中几乎所有的其他金属都来自其他国家的矿区。全球80%以上的锂来自智利、澳大利亚和中国，而60%以上的钴来自刚果民主共和国。

这种对海外市场的依赖可能伴随着代价。例如，如今开采的大部分锂来自智利脆弱的阿塔卡马沙漠，那里通过在大型池塘中蒸发盐水来提取锂。这种方法具有成本效益，但研究人员和当地社区对有毒废弃物以及水资源枯竭和污染表示担忧；据估计，提取1吨锂需要50万加仑的水，其中大部分被蒸发掉。在一些地区，开采电池金属也与侵犯人权有关，例如刚果民主共和国的钴矿，那里的公司被指控使用童工、支付低薪以及未提供基本的安全设施。

电动汽车由大型电池组提供动力，电池组由数千个单独的电池组成。每个电池包含四个主要部件：负极（阳极）、正极（阴极）、电极之间的塑料隔板，以及供锂离子流动的电解液。生产这些部件需要消耗大量的能量和材料，尤其是阴极。

材料的长途运输还会产生温室气体：在有人坐上全新电动汽车的驾驶座之前，一些电动汽车电池材料在运输途中已经旅行了数万英里。（尽管如此，除了少数例外，电动汽车的碳足迹仍比燃油车要小，因此电气化交通是减少碳排放、避免灾难性气候变化的关键。）

目前，采矿仍然是必要的，研究人员认为可以通过本土运营和新技术来减小其影响。但他们表示，改进回收利用技术和商业模式也至关重要。经过数千次的充放电后，锂离子电池的电极单元就会耗尽，正极材料就会出现裂缝，导致电池无法储存和提供足够的电量。数以百万计的电动汽车电池很快就会达到这种损耗程度，如果将它们存放在垃圾场，它们可能会渗出有毒化学物质，甚至会起火。少数几家美国公司回收电池进行再利用，但产能远低于从汽车、手机、电脑和其他电子产品中回收锂离子电池的产能。2019年，美国回收公司从垃圾填埋场转化了约15%的报废锂离子电池。

回收利用所面临的挑战

盈利能力是一个主要障碍。尽管锂离子电池中含有有价值的金属，但很难把它们拆开，从一层层紧密堆叠的无机和有机化合物中提取矿物。据一项研究估计，回收锂的成本是卤水开采原始锂的五倍。相比之下，燃油车上的铅酸电池几乎完全是从垃圾填埋场转化和回收的。“与锂离子电池相比，回收铅酸电池非常容易，”地质学家詹斯·古兹曼说，他是德国亥姆霍兹弗莱贝格资源技术研究所的所长，也是《材料科学研究前沿进展年鉴》上一篇关于构建循环金属经济的文章的合著者。

组成锂离子电池的矿物来源于世界各地，其中一些来源于环境和劳工标准相对较差的国家。上图给出了一些主要电池矿物的主要来源。

另一个问题是，目前主要的锂离子电池回收工艺也不是特别高效。许多回收商使用火法冶金工艺，需要熔化电池和烧掉塑料隔板以提取目标金属。火法冶金是能源密集型的，会排放有毒气体，而且根本无法回收包括锂在内的一些有价值的矿物。

随着电动车销售额不断增长，大规模的电动车电池报废潮将很快加剧回收问题。研究人员预测，到2028年，全世界将有超过100万吨的电池需要处理。伦敦大学国王学院的材料科学家劳拉·兰德说：“我喜欢把它与塑料行业进行比较——我们有很多塑料垃圾，而人们并没有真正面对这个问题——我只是担心这种情况也会发生在电池上。”而根据澳大利亚悉尼科技大学可持续未来研究所撰写的一份报告，如果能够实现盈利，那么到2040年，实现规模化回收电动车电池可以将全球对新开采的锂的需求减少25%，对钴和镍的需求减少35%。

美国能源部的ReCell中心正在努力改善电池回收过程，该中心由国家实验室和大学合作，于2019年启动。在这里，研究人员正在努力扩大所谓的“直接回收”的规模。这种方法旨在更好地回收阴极材料，它是一种精心制造的粉末，而熔化或溶解整个电池会破坏它。阿贡国家实验室和ReCell中心的材料科学家阿尔伯特·里普森说：“他们投入了大量的时间和精力来制造这些漂亮的直径约为10微米的球形颗粒，它们具有正确的晶体结构。”

里普森的研究团队开发了一种化学工艺，能够成功回收阴极粉末，然后通过添加新的锂使其重获新生，恢复原电池老化时失去的充电能力。与其他使用能源密集型步骤重新制造阴极材料的回收工艺相比（这些方法中有一个步骤需要将材料投入巨大的熔炉中），直接回收方法可以提升回收电池组件的利润，同时减少温室气体排放。ReCell的直接回收方法目前只在实验室规模的批次中进行，但里普森说他的团队正在与公司合作扩大该方法的规模。

在智利的阿塔卡马沙漠，锂矿开采业使用巨大的蒸发池来浓缩和提取锂。这种做法不仅会对环境造成较大的干扰，还导致了人们对水资源枯竭和污染的担忧。（图源：REUTERS / ALAMY STOCK PHOTO）

电池回收初创公司主要使用一种叫做湿法冶金的技术，将电池溶解在酸中，然后用溶剂来提取矿物质。尽管湿法冶金并不是什么新鲜技术，但美国电池技术公司、红木材料公司等回收公司均表示，他们正在提高湿法冶金的效率，回收的材料也比过去更多。这两家公司都位于内华达州北部，且都由前特斯拉工程师领导。

美国电池技术公司的负责人瑞安·梅尔塞特说，他在特斯拉的超级工厂（位于内华达州斯帕克斯郊外的一座组装电池的巨型工厂）的工作经历启发他提出了改进回收技术的方法。他的公司不会像老式的湿法冶金回收那样粉碎电池，而是使用机器分解废旧电池，将塑料、铝和钢等低价值部件分离并出售，然后通过专利化学反应提取镍、钴、锰和锂。

梅尔塞特说：“我们的团队不会仅仅把电池扔进炉子或粉碎机，而是基本上采用了许多为制造电池而开发的技术，以相反的顺序进行操作。”他说，该工艺可以回收90%以上的高价值元素。

从汽车中获取电池

然而，为了回收电池，这些初创公司首先要确保这些电池组能够被送到他们的工厂——这本身就是一个挑战，因为目前处理报废汽车的工厂没有针对电动汽车的规范流程，包括如何处理电池。梅尔塞特表示，他的公司希望与通用汽车、福特和斯特兰蒂斯（拥有道奇、吉普和玛莎拉蒂等多个品牌）建立新的合作关系，以确保在汽车以旧换新时，电池将被送去回收利用。而红木材料公司已经宣布与大众、丰田、福特和其他汽车制造商在电池收集和回收方面开展合作。

我和建筑经理莱伯在美国电池技术公司未来的回收设施中穿行，他向我展示了成品仓库的位置，就在卡车卸货点对面的大楼里。在第一阶段的运营中，这些成品将由“黑色物质”组成，这是一种易碎的贵重金属混合物，将被出售给冶炼公司进行进一步精炼，然后转售给电池制造商。最终，该公司计划增加第二阶段，就地将这种混合物进行精炼，分别提取各种矿物。

国际能源署预计，为了实现将全球气温上升幅度控制在远低于2摄氏度（可持续发展方案）的碳排放削减目标，针对几种关键矿物的需求将会激增。如果各国只是按照目前的承诺（既定政策）采取行动，需求同样会增加，只是增速较小。

美国电池技术公司、红木材料公司、再提取技术公司和加拿大的锂循环公司构成了美国电动汽车电池回收产能的四大支柱，它们在网站上展示的愿景表明，它们正在努力建立一个无限可回收的供应链。但电池矿物真的可以无限重复使用吗？米洛娃诺夫和古兹曼等专家表示，由于劳动力成本和能源需求等障碍，这是不太可能的。但里普森说，只要经济上可行，在技术上还是有可能实现规模化，回收电池中90%以上的锂、钴、镍和铜。

归根结底，电池回收的成功取决于它能否足够便宜。负责任采矿保证倡议联盟的执行董事艾梅·布兰格表示，即使技术有所改进，回收商也可能难以使他们的产品在成本上与原始矿物竞争。该组织与企业合作，改善采矿项目的环境和劳工标准。可能还需要有激励措施和法规：在欧盟，监管机构已经提出了可持续电池的指导方针，其中包括要求电池中含有一定比例的回收材料。

梅尔塞特很乐观。他认为，由于现在大多数电池矿物都是在国际上开采的，原始矿物的运输和进口成本将使本土回收材料具有竞争力，这一计算得到了一些研究的支持。他希望大约再过两年，就开始建设一个规模更大的工厂，以跟上不断增长的电动汽车销量。由于市场对矿物的需求超过了目前回收所能提供的量，他的公司还拥有内华达州中部的锂矿开采产业的股份。

“一些世界上最大的公司正在尽可能多地购买回收的电池金属，”他说，“现在的挑战是谁能最快实现规模化。”

译名对照表：

Reno 里诺市

Nevada 内华达州

Chuck Leber 查克·莱伯

American Battery Technology Company 美国电池技术公司

Alexandre Milovanoff 亚历山大·米洛娃诺夫

Joe Biden 乔·拜登

Defense Production Act 《国防生产法》

Michael McKibben 迈克尔·麦吉本

University of California, Riverside 加州大学河滨分校

Atacama Desert 阿塔卡马沙漠