中國(guó)工程院院刊《Engineering》2021年第12期刊發(fā)《電動(dòng)汽車蓬勃發(fā)展，電池回收面臨挑戰(zhàn)》一文，報(bào)道了廢舊電動(dòng)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(shì)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(dòng)汽車電池會(huì)對(duì)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(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(jì)劃年底前在美國(guó)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(lái)越多的汽車制造商紛紛轉(zhuǎn)向電動(dòng)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(lái)的結(jié)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)汽車電池的爭(zhēng)論一直在繼續(xù)，而未來(lái)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(duì)環(huán)境將產(chǎn)生怎樣的影響？
國(guó)際能源機(jī)構(gòu)的報(bào)告顯示，截至2020年年底，道路上行駛的電動(dòng)汽車數(shù)量已達(dá)1000萬(wàn)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(guó)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(guó)家政策（中間和左側(cè)欄）和可持續(xù)發(fā)展形勢(shì)（右側(cè)欄），預(yù)計(jì)電動(dòng)汽車國(guó)際銷量如圖所示。橙色圓圈代表電動(dòng)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(dòng)力電動(dòng)汽車（PHEV）銷量在所有電動(dòng)汽車銷量中所占的比例。來(lái)源：International Energy Agency，經(jīng)許可。
處理電動(dòng)汽車的廢舊鋰離子電池是一項(xiàng)迫在眉睫的任務(wù)。目前來(lái)講，電動(dòng)汽車電池循環(huán)利用方面的研究仍然處于初級(jí)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(huì)被作為廢棄物進(jìn)行處理。美國(guó)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(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)汽車增速過(guò)快，大家都在討論由此產(chǎn)生的大量浪費(fèi)的問(wèn)題。但是和投入使用的電池?cái)?shù)量相比，回收的廢舊電池?cái)?shù)量可以說(shuō)不值一提。”
不難理解，重復(fù)利用大量使用壽命耗盡的電動(dòng)汽車電池會(huì)對(duì)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(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(jì)、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(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(shè)計(jì)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(jí)（盡管大部分電動(dòng)汽車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(biāo)。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(biāo)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(bǔ)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)汽車電池的回收利用仍存在爭(zhēng)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(duì)環(huán)境的影響相對(duì)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(xiàng)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(jià)值的金屬。
圖2 （a）在位于美國(guó)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(méi)有電動(dòng)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(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(duì)于冶煉法對(duì)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(shuō)：“我們可以使用任何種類的鋰離子電池，無(wú)論其中的化學(xué)配方是什么，無(wú)論它是電動(dòng)汽車、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(shí)候都是一樣的。”
Li-Cycle公司計(jì)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(gè)“Spoke”設(shè)施在運(yùn)轉(zhuǎn)，一個(gè)在加拿大安大略省金斯頓市，另一個(gè)在美國(guó)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(gè)“Spoke”設(shè)施可以處理5000 t鋰離子電池，公司宣布計(jì)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(yù)計(jì)在2023年年初完工的羅切斯特市的“Hub”設(shè)施，每年將會(huì)運(yùn)送相當(dāng)于60 000 t電池的“黑色物質(zhì)”，Biederman說(shuō)：“因?yàn)榻饘俦旧砭哂袃r(jià)值，所以我們目前選擇將‘黑色物質(zhì)’銷售出去。但是從長(zhǎng)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(dòng)汽車的快速發(fā)展正在推動(dòng)著電池“超級(jí)工廠”（gigafactory）在全球的發(fā)展。 “超級(jí)工廠”這個(gè)詞的靈感部分來(lái)自于其所指代的“數(shù)十億”這個(gè)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(guó)內(nèi)華達(dá)州斯帕克斯市的特斯拉“超級(jí)工廠”（Tesla Gigafactory）的啟發(fā)。2021年7月，日產(chǎn)汽車公司（Nissan）計(jì)劃在英國(guó)英格蘭的桑德蘭市建一個(gè)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(gè)名為Northvolt Ett 的“超級(jí)工廠”，以及一個(gè)主要的電池循環(huán)利用工廠。2019年，總部位于美國(guó)密歇根州底特律市的通用汽車公司（GM）與總部位于韓國(guó)首爾的LG化學(xué)展開合作，在美國(guó)俄亥俄州的洛茲敦市成立了一個(gè)名為Ultium Cells LLC的“超級(jí)工廠”，2021年又宣布計(jì)劃在美國(guó)田納西州的斯普林希爾市建設(shè)第二個(gè)23億美元的“超級(jí)工廠”。與此同時(shí)，福特汽車公司也宣布一項(xiàng)耗資110億美元的計(jì)劃，即在美國(guó)建造三座電池工廠和一個(gè)電動(dòng)卡車工廠。
一旦這些工廠和其他類似的工廠全部運(yùn)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(yàn)的電動(dòng)汽車電池，為提升電池循環(huán)利用能力提供了一個(gè)契機(jī)，Biederman說(shuō)：“工廠的急劇擴(kuò)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。與此相同，當(dāng)廢舊汽車電池回到生產(chǎn)鏈上時(shí)，我們也應(yīng)該將其加工，來(lái)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(guó)、日本和韓國(guó)生產(chǎn)，這些國(guó)家的電池循環(huán)利用方式不同于其他國(guó)家。Gavin Harper表示：“在中國(guó)，鋰離子電池的制造是垂直一體化的。” Gavin Harper是英國(guó)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(xiàng)目的組員。該研究所是英國(guó)進(jìn)行電化學(xué)能源儲(chǔ)存研究和早期商業(yè)化的獨(dú)立機(jī)構(gòu)。ReLiB項(xiàng)目旨在探究電動(dòng)汽車廢舊電池可持續(xù)管理所需要的條件。Harper說(shuō)：“中國(guó)正在建設(shè)大量工廠，提升自身回收電池廢料的能力。”
中國(guó)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(guó)工業(yè)和信息化部出臺(tái)了針對(duì)電動(dòng)汽車電池廠商的新規(guī)，其中包括要求制造商對(duì)其產(chǎn)品實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化，以便對(duì)其進(jìn)行拆解。新的生產(chǎn)方式要求電動(dòng)汽車制造商對(duì)其產(chǎn)品的整個(gè)生命周期負(fù)責(zé)，包括對(duì)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(shí)，歐盟（EU）在2020年出臺(tái)了一項(xiàng)電池新規(guī)，旨在確保電池在歐盟市場(chǎng)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(dòng)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?yàn)檫@種方法相對(duì)簡(jiǎn)單。然而在ReLiB項(xiàng)目中，我們對(duì)這種主要生產(chǎn)‘黑色物質(zhì)’的方法提出質(zhì)疑，因?yàn)檫@會(huì)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(huì)更有效率，不必再進(jìn)行返工。”近期報(bào)道過(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(xiàng)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(xiàng)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(jī)方式聚合在一起。因?yàn)樗鼈兡苁逛囯x子儲(chǔ)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(jià)值比元素單獨(dú)的價(jià)值要大得多。”然而，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)：“這一觀點(diǎn)與早期直接回收的觀點(diǎn)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(lái)冶煉或切割的一個(gè)原因。”
然而，目前美國(guó)電動(dòng)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(xiàng)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(zhǎng)期解決電動(dòng)汽車鋰離子電池回收問(wèn)題的好辦法的另一個(gè)原因就是，這些辦法只有在當(dāng)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(guó)政府不希望依賴的國(guó)際供應(yīng)鏈來(lái)獲取。2022年6月份，美國(guó)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(guó)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?cái)[脫對(duì)鎳、鈷元素的依賴。并且，特斯拉公司2020年宣布向無(wú)鈷電池轉(zhuǎn)型。
電池設(shè)計(jì)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(jià)值結(jié)構(gòu)，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(biāo)準(zhǔn)化——如果有一種更小的電池或電池組單元設(shè)計(jì)，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(duì)此表示贊同：“機(jī)器拆解和自動(dòng)化方法將有可能在未來(lái)應(yīng)用于任何種類的電動(dòng)汽車電池。”
事實(shí)上，2021年8月，美國(guó)能源部田納西州的橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員展示了一種用于廢舊電動(dòng)汽車電池組拆解的機(jī)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(jī)器人可被編程進(jìn)入單個(gè)電池模型，或?qū)㈦姵亟M拆分成單個(gè)電池，便于發(fā)現(xiàn)物質(zhì)。然而，這項(xiàng)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(guó)馬薩諸塞州劍橋市麻省理工學(xué)院的一個(gè)項(xiàng)目組，主張重新利用換掉的電動(dòng)汽車電池組，用于太陽(yáng)能電網(wǎng)儲(chǔ)能設(shè)施（對(duì)電池性能的要求不像電動(dòng)汽車一樣嚴(yán)格）。Harper說(shuō)道，事實(shí)上，目前有許多大規(guī)模的電池重復(fù)利用項(xiàng)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(lái)依然很難預(yù)測(cè)，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(gè)遙遠(yuǎn)的目標(biāo)。目前我們可以確定的是，各種形式的電動(dòng)汽車鋰離子電池的循環(huán)利用在未來(lái)都會(huì)是很大的挑戰(zhàn)。Harper說(shuō)道：“但不論廢舊電池中能轉(zhuǎn)移的價(jià)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(bào)紙和玻璃在本質(zhì)上不具有價(jià)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。”
