中國工程院院刊《Engineering》2021年第12期刊發(fā)《電動汽車蓬勃發(fā)展，電池回收面臨挑戰(zhàn)》一文，報道了廢舊電動汽車電池回收的多種方法，如火法冶金回收、濕法冶金再生技術(shù)等，并分析了各種回收方法的優(yōu)劣勢及應(yīng)用難易程度。
文章指出，重復(fù)利用大量使用壽命耗盡的電動汽車電池會對環(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，面臨的不只有商業(yè)挑戰(zhàn)還有技術(shù)挑戰(zhàn)，但不管采用何種電池技術(shù)，循環(huán)利用都是唯一的選擇。
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始建設(shè)北美最大的鋰離子電池（LIB）回收廠。越來越多的汽車制造商紛紛轉(zhuǎn)向電動汽車（EV）領(lǐng)域，Li-Cycle公司的首席執(zhí)行官Ajay Kochhar將這種變化所帶來的結(jié)果夸張地描述為“電池海嘯”（ battery tsunami）。
與此同時，關(guān)于如何處理大量廢舊電動汽車電池的爭論一直在繼續(xù)，而未來的一些方案——循環(huán)利用、重復(fù)利用、重新利用或多方法結(jié)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(gòu)的報告顯示，截至2020年年底，道路上行駛的電動汽車數(shù)量已達(dá)1000萬輛，到2030年，這一數(shù)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(dāng)前（2020年）公布的國家政策（中間和左側(cè)欄）和可持續(xù)發(fā)展形勢（右側(cè)欄），預(yù)計電動汽車國際銷量如圖所示。橙色圓圈代表電動汽車銷量占汽車總銷量的比例，紫色圓圈代表插電式混合動力電動汽車（PHEV）銷量在所有電動汽車銷量中所占的比例。來源：International Energy Agency，經(jīng)許可。
處理電動汽車的廢舊鋰離子電池是一項迫在眉睫的任務(wù)。目前來講，電動汽車電池循環(huán)利用方面的研究仍然處于初級階段，大部分汽車生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢料、回收物和預(yù)生產(chǎn)車輛會被作為廢棄物進(jìn)行處理。美國能源部汽車技術(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：“目前最基本的問題是沒有足夠的用于回收利用的電池原料。由于電動汽車增速過快，大家都在討論由此產(chǎn)生的大量浪費的問題。但是和投入使用的電池數(shù)量相比，回收的廢舊電池數(shù)量可以說不值一提。”
不難理解，重復(fù)利用大量使用壽命耗盡的電動汽車電池會對環(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，面臨的不只有商業(yè)挑戰(zhàn)還有技術(shù)挑戰(zhàn)。其中一方面是電池尺寸和所涉及的大量設(shè)計、化學(xué)程序、結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)技術(shù)。例如，特斯拉model S 85 Mk1 汽車（2014）的電池組包含16個電池模塊，每個模塊有444個圓柱形電池，而同年制造的日產(chǎn)葉子（Nissan Leaf） Mk1汽車的電池組有48個模塊，每個模塊有4個大的軟包電池。不同的汽車電池連接的方式不同，也許是通過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(shè)計為不可輕易分開、調(diào)整以及重復(fù)利用。
除了電池結(jié)構(gòu)，鋰離子電池成分的化學(xué)構(gòu)成和配比也在不斷升級（盡管大部分電動汽車鋰離子電池的正極是由鎳、錳和鈷的富鋰層狀過渡金屬氧化物組成）。這些金屬元素，尤其是鎳和鈷，都是回收和提取高價值金屬元素過程（如鎳的火法冶金回收）中的主要目標(biāo)。該過程包括將整個電池組扔進(jìn)熔爐中冶煉，然后取得目標(biāo)金屬。過程會消耗大量能源，產(chǎn)生有毒氣體，需要通過燃燒鋰、塑料和電池電解液進(jìn)行補救，可回收物質(zhì)同時也會減少。從環(huán)境角度考慮，利用該方法解決電動汽車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(fù)極材料（圖2）。這本身就是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。正/負(fù)極材料被稱為“黑色物質(zhì)”，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”工廠里，各種各樣的鋰離子電池（圖中沒有電動汽車電池）正沿著傳送帶進(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(fù)極材料，被稱為“黑色物質(zhì)”（底部）；（c）通過濕法冶金技術(shù)，可在“黑色物質(zhì)”中回收利用其中的鎳和鈷。來源：Li-Cycle公司，經(jīng)許可。
這種方法有一個特點，就是相對于冶煉法對環(huán)境的影響較小，因此可以廣泛應(yīng)用。Li-Cycle公司的首席技術(shù)官Chis Biederman說：“我們可以使用任何種類的鋰離子電池，無論其中的化學(xué)配方是什么，無論它是電動汽車、筆記本電腦還是電子煙里的電池，當(dāng)這些電池被切碎制成“黑色物質(zhì)”的時候都是一樣的。”
Li-Cycle公司計劃采用“Spoke and Hub”模式，在北美地區(qū)建成全球最大的鋰離子電池回收再利用設(shè)施。目前，公司有兩個“Spoke”設(shè)施在運轉(zhuǎn)，一個在加拿大安大略省金斯頓市，另一個在美國紐約州羅切斯特市。這些設(shè)施可處理各種鋰離子電池，將其切碎并分成三部分，然后這些碎片被賣給其他公司進(jìn)行回收利用。每個“Spoke”設(shè)施可以處理5000 t鋰離子電池，公司宣布計劃再建兩個，其中一個在亞利桑那州，另一個在阿拉巴馬州。預(yù)計在2023年年初完工的羅切斯特市的“Hub”設(shè)施，每年將會運送相當(dāng)于60 000 t電池的“黑色物質(zhì)”，Biederman說：“因為金屬本身具有價值，所以我們目前選擇將‘黑色物質(zhì)’銷售出去。但是從長遠(yuǎn)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(zhuǎn)化為能源材料，如硫酸鈷、硫酸鎳和碳酸鋰。”
電動汽車的快速發(fā)展正在推動著電池“超級工廠”（gigafactory）在全球的發(fā)展。 “超級工廠”這個詞的靈感部分來自于其所指代的“數(shù)十億”這個數(shù)字，以及汽車制造商特斯拉公司最初的汽車電池工廠——位于美國內(nèi)華達(dá)州斯帕克斯市的特斯拉“超級工廠”（Tesla Gigafactory）的啟發(fā)。2021年7月，日產(chǎn)汽車公司（Nissan）計劃在英國英格蘭的桑德蘭市建一個最大的電池工廠。瑞典汽車制造商沃爾沃汽車公司和另一家公司Northvolt 聯(lián)手在瑞典謝萊夫特奧建立了一個名為Northvolt Ett 的“超級工廠”，以及一個主要的電池循環(huán)利用工廠。2019年，總部位于美國密歇根州底特律市的通用汽車公司（GM）與總部位于韓國首爾的LG化學(xué)展開合作，在美國俄亥俄州的洛茲敦市成立了一個名為Ultium Cells LLC的“超級工廠”，2021年又宣布計劃在美國田納西州的斯普林希爾市建設(shè)第二個23億美元的“超級工廠”。與此同時，福特汽車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和一個電動卡車工廠。
一旦這些工廠和其他類似的工廠全部運行起來，將不僅產(chǎn)出大量的電池，同時還會產(chǎn)生電池廢料。這些電池廢料包括了沒能通過質(zhì)量控制檢驗的電動汽車電池，為提升電池循環(huán)利用能力提供了一個契機，Biederman說：“工廠的急劇擴(kuò)張會產(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。與此相同，當(dāng)廢舊汽車電池回到生產(chǎn)鏈上時，我們也應(yīng)該將其加工，來獲取制作汽車電池的原料。”
目前，大多數(shù)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(gòu)。ReLiB項目旨在探究電動汽車廢舊電池可持續(xù)管理所需要的條件。Harper說：“中國正在建設(shè)大量工廠，提升自身回收電池廢料的能力。”
中國政府也非常重視電池廢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汽車電池廠商的新規(guī)，其中包括要求制造商對其產(chǎn)品實施標(biāo)準(zhǔn)化，以便對其進(jìn)行拆解。新的生產(chǎn)方式要求電動汽車制造商對其產(chǎn)品的整個生命周期負(fù)責(zé)，包括對自身汽車產(chǎn)品中廢舊電池的循環(huán)利用負(fù)責(zé)。與此同時，歐盟（EU）在2020年出臺了一項電池新規(guī)，旨在確保電池在歐盟市場的可持續(xù)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(dǎo)地位，但具體到電動汽車電池，粉碎法并不是許多專家的首選方案。Harper認(rèn)為：“粉碎法是很好的選擇，因為這種方法相對簡單。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，因為這會給電池的后續(xù)處理造成困難。如果你能將電池清楚地分成正極、負(fù)極和電池箔，那么后續(xù)反應(yīng)處理會更有效率，不必再進(jìn)行返工。”近期報道過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值。ReLiB項目組的組員Gaines說：“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(yīng)，所以這些化合物的價值比元素單獨的價值要大得多。”然而，不同的電池制造商會使用不同的化學(xué)配方，因此一個特定的正極材料并不適用于所有電池制造商。她說：“這一觀點與早期直接回收的觀點是相反的，但是這也是電池廠商應(yīng)該負(fù)責(zé)處理自己的廢料，而不是將其送往回收廠來冶煉或切割的一個原因。”
然而，目前美國電動汽車的發(fā)展方向并非如此。例如，Ultium Cells LLC公司近期就和Li-Cycle公司達(dá)成一項協(xié)議，回收其洛茲敦汽車工廠產(chǎn)生的廢料。
火法冶金或濕法冶金都不是長期解決電動汽車鋰離子電池回收問題的好辦法的另一個原因就是，這些辦法只有在當(dāng)電池正極中含有高價值元素（如鈷及少量的鎳）時才具有商業(yè)上的可行性。這些元素不僅成本高昂，還需要通過本國政府不希望依賴的國際供應(yīng)鏈來獲取。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(lán)圖，該藍(lán)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。并且，特斯拉公司2020年宣布向無鈷電池轉(zhuǎn)型。
電池設(shè)計和拆解的替代方案也正在開發(fā)，力求做到既保留電池的高價值結(jié)構(gòu)，又能在回收/翻新的過程中省去多余的人力勞動。Gaines 說道：“電動汽車電池的一些特點會使其回收變得更容易，其中一個就是將其進(jìn)行一定程度的標(biāo)準(zhǔn)化——如果有一種更小的電池或電池組單元設(shè)計，就可以把拆解步驟自動化，而無需將電池切碎，得到一堆亂七八糟的物質(zhì)。” Harper對此表示贊同：“機器拆解和自動化方法將有可能在未來應(yīng)用于任何種類的電動汽車電池。”
事實上，2021年8月，美國能源部田納西州的橡樹嶺國家實驗室的研究人員展示了一種用于廢舊電動汽車電池組拆解的機器人拆解系統(tǒng)。研究人員聲稱該系統(tǒng)可以重新改裝任何種類的電池組，并且機器人可被編程進(jìn)入單個電池模型，或?qū)㈦姵亟M拆分成單個電池，便于發(fā)現(xiàn)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(fù)利用更有意義。例如，美國馬薩諸塞州劍橋市麻省理工學(xué)院的一個項目組，主張重新利用換掉的電動汽車電池組，用于太陽能電網(wǎng)儲能設(shè)施（對電池性能的要求不像電動汽車一樣嚴(yán)格）。Harper說道，事實上，目前有許多大規(guī)模的電池重復(fù)利用項目正在進(jìn)行。
雖然汽車電池技術(shù)正在逐步發(fā)展，但鋰離子電池的循環(huán)利用在未來依然很難預(yù)測，標(biāo)準(zhǔn)汽車電池的循環(huán)利用率要達(dá)到99%仍然是一個遙遠(yuǎn)的目標(biāo)。目前我們可以確定的是，各種形式的電動汽車鋰離子電池的循環(huán)利用在未來都會是很大的挑戰(zhàn)。Harper說道：“但不論廢舊電池中能轉(zhuǎn)移的價值有多少，要想在全球?qū)崿F(xiàn)更加可持續(xù)、可循環(huán)的經(jīng)濟(jì)，就必須要接受這種挑戰(zhàn)。雖然塑料袋、報紙和玻璃在本質(zhì)上不具有價值，但我們都應(yīng)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。”
