電池回收和再利用：下一個(gè)風(fēng)口

Aqua metals 的Lithium AquaRefining試點(diǎn)項(xiàng)目的工廠內(nèi)部。（Aqua metals）

為了處置市場(chǎng)上將出現(xiàn)的大量廢舊電動(dòng)車電池，已有多家公司開始著手研究電池回收技術(shù)。

回收電動(dòng)車電池是汽車行業(yè)多年以來的目標(biāo)，但由于基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，電池回收技術(shù)的大規(guī)模落地仍處于早期階段。隨著電動(dòng)車產(chǎn)生的廢舊鋰離子電池和電芯不斷增加，汽車行業(yè)也做好了將其回收再利用的準(zhǔn)備。

美國(guó)聯(lián)邦政府推出了促進(jìn)鋰離子電池回收的舉措，而這不止是為了減少電池對(duì)環(huán)境的影響。廢舊電池材料不僅能用于制造新電池，也有助于將電動(dòng)車電池的生產(chǎn)成本降低至60美元／kWh的國(guó)家目標(biāo)。

2019年2月，美國(guó)能源部（DOE）汽車技術(shù)辦公室（VTO）啟動(dòng)了ReCell中心，攜手行業(yè)、學(xué)術(shù)界和國(guó)家實(shí)驗(yàn)室共同研發(fā)針對(duì)當(dāng)前和未來電池材料體系的回收技術(shù)。ReCell中心由阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）、橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室以及愛達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合四所高校共同組建。

ReCell應(yīng)用材料部材料回收小組負(fù)責(zé)人Jeff Spangenberger告訴SAE，ReCell不僅關(guān)注電池回收的科學(xué)問題，還致力于推動(dòng)行業(yè)的協(xié)作發(fā)展。

Spangenberger表示：“電池回收是降低材料成本的絕佳途徑。從回收材料或電池原料中直接提取所需材料要比開采礦物容易得多，為此需要行業(yè)的共同努力。沒有人能夠單槍匹馬地解決這一問題，所以我們致力于促進(jìn)行業(yè)機(jī)構(gòu)間的合作?！盧eCell會(huì)定期舉辦行業(yè)合作會(huì)議，以促進(jìn)各方合作交流。

ReCell的電池直接回收技術(shù)

ReCell重點(diǎn)研究電池直接回收技術(shù)。目前電池回收主要依靠濕法冶金和火法冶金兩種技術(shù)，即利用化學(xué)反應(yīng)或熱量將電池分解為金屬硫酸鹽等原料化合物。而直接回收技術(shù)則有所不同，可以在不分解電池化學(xué)結(jié)構(gòu)的情況下，實(shí)現(xiàn)電池成分的回收再利用。ReCell官網(wǎng)稱其開發(fā)出了一種名為EverBatt的分析模型，該模型“可比較原始電池與再生電池的影響和工藝，并確定其對(duì)不同參數(shù)的敏感性”。利用該模型研究發(fā)現(xiàn)，直接回收技術(shù)比濕法冶金和火法冶金技術(shù)耗能更少，更可持續(xù)。

直接再循環(huán)技術(shù)通過幾個(gè)步驟對(duì)電池進(jìn)行處理，所有步驟都在溫和的條件下進(jìn)行，以回收適合用于生產(chǎn)新電池的材料 晶體結(jié)構(gòu)完好的陰極是主要目標(biāo)，但也在尋找陽極碳和電解質(zhì)鹽。（ReCell）

Spangenberger說：“直接回收技術(shù)尚未得到充分研究，也未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。但分析表明，直接回收技術(shù)蘊(yùn)藏著巨大機(jī)遇，可實(shí)現(xiàn)比濕法冶金和火法冶金技術(shù)更高的成本效益和更豐厚的利潤(rùn)。”

他表示，ReCell正在開展的約50個(gè)項(xiàng)目中，近一半的項(xiàng)目都在研究直接回收技術(shù)。

“我們剛開始探索直接回收技術(shù)時(shí)，市場(chǎng)上只有一家公司在從事相關(guān)研究。但隨著我們不斷取得突破，我們希望帶動(dòng)整個(gè)行業(yè)蓬勃發(fā)展。目前，市場(chǎng)上已有大約三家公司在從事相關(guān)研究，并已達(dá)到試點(diǎn)規(guī)模。這表明，投資者已經(jīng)關(guān)注到了直接回收技術(shù)，并愿意投資。”

直接再循環(huán)回收的活性材料可直接用于制造新電池，避免了昂貴和能源密集型的加工步驟。（ReCell）

ReCell的其他項(xiàng)目關(guān)注的是高級(jí)資源回收（將電池組件升級(jí)再造為新產(chǎn)品）、可持續(xù)設(shè)計(jì)（設(shè)計(jì)更易于回收或拆解的電池）以及建模和分析（如EverBatt分析模型）等方面。Spangenberger表示，這些研究能夠讓ReCell專心攻克那些對(duì)整個(gè)行業(yè)至關(guān)重要的技術(shù)。而以上四個(gè)方面顯然是相輔相成的。舉例來說，可持續(xù)設(shè)計(jì)需要考慮諸如“為了提升性能而增加一種化學(xué)物質(zhì)是否會(huì)導(dǎo)致電池變得不可回收”這樣的問題。

Spangenberger認(rèn)為：“可持續(xù)性并不是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的首要指標(biāo)，如果產(chǎn)品連銷路都沒有，那么回收也無從談起。因此，降低成本和提高性能都很重要。但我認(rèn)為，對(duì)任何產(chǎn)品而言，使用壽命結(jié)束后的廢棄管理都是必須納入產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一個(gè)指標(biāo)?！?

?？怂箍档臄?shù)字孿生模型

全球數(shù)字現(xiàn)實(shí)解決方案公司海克斯康研發(fā)的數(shù)字孿生模型可幫助企業(yè)更好地制造產(chǎn)品。?？怂箍灯嚳偙O(jiān)George Cuff告訴SAE，數(shù)字孿生技術(shù)可用于分析電動(dòng)車電池在真實(shí)場(chǎng)景中的性能，比如電池的各種熱特性等。

Cuff表示：“我們可以收集電池的性能信息，并用于產(chǎn)品研發(fā)。我們的仿真空間有各種工具。希望優(yōu)化電池設(shè)計(jì)的制造商可以在不同場(chǎng)景中進(jìn)行測(cè)試，并借助真實(shí)場(chǎng)景反饋的信息實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化?！?

他指出，數(shù)字孿生技術(shù)還能提升電池的回收效率。例如，?？怂箍档能浖湍茉跀?shù)字孿生模型中管理各種材料，用于仿真分析。

“憑借這些數(shù)據(jù)，便可針對(duì)特定電池或車型進(jìn)行分析，比如掌握某些原材料的數(shù)量，分辨出哪些材料可以回收利用，哪些材料是危險(xiǎn)廢料。我認(rèn)為，政府將來一定會(huì)規(guī)定或要求行業(yè)掌握電池包的材料類型，分辨哪些材料可回收、哪些不可回收，以及哪些是危險(xiǎn)材料。到那時(shí)候，我們需要具備處置報(bào)廢電池和電池包的有效方案。”

美國(guó)環(huán)境保護(hù)局建議企業(yè)將廢舊鋰電池作為危險(xiǎn)廢料處理，即電池的最終處置需要交由具有資質(zhì)的危險(xiǎn)廢料處理廠或回收商完成。如果這些廢舊電池要進(jìn)行國(guó)際運(yùn)輸，則必須遵守《美國(guó)資源保護(hù)與回收法案》（RCRA）中有關(guān)普遍廢料進(jìn)出口的要求。如果是國(guó)內(nèi)運(yùn)輸，雖然環(huán)境保護(hù)局表示在“經(jīng)銷店、汽車修理廠、廢品場(chǎng)或類似場(chǎng)地”拆除的電動(dòng)汽車電池并不屬于家庭危險(xiǎn)廢物，但美國(guó)交通部關(guān)于鋰離子電池運(yùn)輸?shù)囊?guī)定也適用于作為危險(xiǎn)廢料運(yùn)輸?shù)匿囯姵亍?

固態(tài)電池技術(shù)更容易回收

總部位于馬薩諸塞州沃本市的美國(guó)初創(chuàng)公司Factorial Energy正在研發(fā)未來電動(dòng)車的半固態(tài)電池技術(shù)，并已開始探索報(bào)廢電池的回收方式。2023年6月，F(xiàn)actorial Energy宣布將與韓國(guó)財(cái)團(tuán)永豐集團(tuán)合作打造電池回收業(yè)務(wù)。

Factorial Energy的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官黃思宇告訴SAE：“美國(guó)有許多電池回收公司，但大多數(shù)公司主要回收鋰離子電池。而永豐集團(tuán)是我們當(dāng)時(shí)了解到的唯一一家回收鋰金屬電池的公司，這兩種回收工藝大相徑庭。作為電池制造商，回收鋰金屬電池將有助于我們?cè)谖磥斫档碗姵爻杀?。而且廢品場(chǎng)會(huì)源源不斷地產(chǎn)生廢棄電池，客戶也會(huì)產(chǎn)生一些壽命到期的電池，所以讓電池在退役后還能產(chǎn)生價(jià)值是件好事。”

黃思宇指出，如果固態(tài)電池在電動(dòng)車中得到普遍采用，那么會(huì)比當(dāng)前的鋰離子電池更容易回收。

她認(rèn)為：“拆卸固態(tài)電池本身就比拆卸鋰離子電池更安全。這是因?yàn)楣虘B(tài)電池的固體電解質(zhì)比液體電解質(zhì)多。其次，由于回收鋰金屬陽極可能比回收碳或硅陽極價(jià)值更高，因此固態(tài)電池的再生價(jià)值可能也更高?！?

Factorial 的 FEST（Factorial 電解質(zhì)系統(tǒng)技術(shù)）100+ Ah 準(zhǔn)固態(tài)電池電池。（Factorial）

黃思宇表示：“Factorial Energy目前需要將電池組件運(yùn)到永豐集團(tuán)的韓國(guó)工廠進(jìn)行回收，但我們也在積極尋找能在北美進(jìn)行回收的本地供應(yīng)商。許多供應(yīng)商都很感興趣，剩下的只是時(shí)間和投入研發(fā)鋰金屬回收技術(shù)的問題。目前，本地供應(yīng)商的技術(shù)水平還趕不上韓國(guó)。但如果市場(chǎng)上出現(xiàn)足夠多的興趣，而且政府也從各種監(jiān)管途徑提供支持，我相信這一定會(huì)促進(jìn)對(duì)該行業(yè)的投資?！?

關(guān)注廢料

美國(guó)本地的電池生產(chǎn)和應(yīng)用也獲得了聯(lián)邦政府的投資。拜登總統(tǒng)于2022年8月通過的《通貨膨脹削減法案》（IRA）除了為2300家電網(wǎng)級(jí)電池工廠提供資金外，還包括廣為人知的電動(dòng)車稅收抵免政策，單輛汽車最高可達(dá)7500美元。IRA對(duì)國(guó)產(chǎn)電池的強(qiáng)調(diào)也將重塑電動(dòng)車電池的產(chǎn)地和原材料來源。

Aqua metals公司未來的Sierra ARC園區(qū)效果圖。公司表示，分階段發(fā)展戰(zhàn)略將使 Aqua metals 公司 "迅速擴(kuò)大我們的商業(yè)鋰電池回收能力，同時(shí)保持更高水平的靈活性和適應(yīng)性"。（Aqua metals）

Aqua metals的閉環(huán)金屬回收工藝試點(diǎn)項(xiàng)目已經(jīng)運(yùn)行了一年多。Aqua metals商業(yè)副總裁David Regan告訴SAE，在公司位于塔霍里諾工業(yè)中心的Sierra ARC （AquaRefining園區(qū)）加工中心，各項(xiàng)工作正積極開展。Aqua metals表示，ARC將成為北美首個(gè)可持續(xù)的鋰電池回收中心，也是其Li AquaRefining技術(shù)的首次商業(yè)規(guī)模部署。Regan表示，ARC中心將于今年完成設(shè)備安裝，計(jì)劃從夏季開始回收黑色物質(zhì)，并在年底之前全面投產(chǎn)。Aqua metals的一階段目標(biāo)是回收3000噸黑色物質(zhì)，下一階段的目標(biāo)是回收1萬噸。

Regan說：“回收1萬噸原料對(duì)我們來說完全不是問題。有很多黑色物質(zhì)生產(chǎn)商正在和我們洽淡，剩下的只是定價(jià)問題。此外，我們也在同OEM和電池制造商合作。到2030年，這些公司的電池制造產(chǎn)能將達(dá)到1TW，這將產(chǎn)生大量的制造廢料，但OEM并不想將其浪費(fèi)。于是，他們已經(jīng)開始投資相關(guān)技術(shù)，希望將這些廢料進(jìn)行循環(huán)利用?！?

用過的袋式電池經(jīng)粉碎后可產(chǎn)生多種產(chǎn)品。黑色粉末含有陽極碳和有價(jià)值的陰極材料。（ReCell）

2024年3月，Aqua metals和6K Energy宣布將在北美合作打造一條可持續(xù)的鋰電池循環(huán)供應(yīng)鏈。Regan指出，6K Energy在其工藝中使用的原料是硝酸鹽而非硫酸鹽，因而不會(huì)產(chǎn)生任何硫酸鈉廢料。而在傳統(tǒng)的陰極活性材料（CAM）制造工藝中，每生產(chǎn)1噸CAM就會(huì)產(chǎn)生約26噸硫酸鈉廢料。Regan說，傳統(tǒng)的濕法回收工藝也是如此，每回收1噸黑色物質(zhì)通常會(huì)產(chǎn)生約1.5-2噸的硫酸鈉廢料。

Regan表示：“傳統(tǒng)工藝產(chǎn)生的廢料污染極其嚴(yán)重，碳排放量也很高。但我們的工藝不會(huì)產(chǎn)生任何硫酸鈉。此外，我們使用的是可再生電力，因而產(chǎn)生的碳足跡也遠(yuǎn)低于其它技術(shù)。假設(shè)使用傳統(tǒng)工藝回收黑色物質(zhì)，每回收1噸就會(huì)產(chǎn)生2噸硫酸鈉廢料，那么這些廢料必將進(jìn)入填埋場(chǎng)或流入海洋。如果回收了數(shù)百萬塊鋰離子電池和電動(dòng)車電池，那么幾十年后將會(huì)產(chǎn)生數(shù)百萬噸廢物，這是非常不可持續(xù)的?！?