近年来，全球电动车销量增长迅速，车用锂离子电池的用量也相应激增。随着锂离子电池纷纷到期报废，如何处置日益增加的废弃电池正面临极大困局，尽快研发保护自然资源和解决电池报废的新技术刻不容缓。
请先看一组数据：美国能源部国际能源局公布，到2030年，全球道路上行驶的电动车将达到1.4亿辆；从现在到2030年，将有1100万吨锂离子电池报废；锂离子电池重量的30-40%由价值很高的阴极材料构成；目前只有不到5%的锂离子电池被回收；接近100%的铅酸车用电池回收后被制成新电池；预计2022年锂电池市价值达到700亿美元。
锂离子电池已使便携式电子产品无所不在，也将会使电动车同样如此。那样的活，世界废弃的锂离子电池将达数百万吨之巨。这些废弃电池虽然还有价值，并可回收，但是因技术、经济及其它原因，目前的回收数量不足5%。对于即将产生数量惊人的废弃电池，研究人员正在寻求低成本、环保的可持续战略，以应对堆积如山的锂离子电池的出现。
电动车迅速普及，废弃电池处理成难题
随着电动车开始迅速普及，电动车废旧锂离子电池的数量也将暴增。2019年行业分析师预测，截止2020年，仅中国就将产生50万吨废锂离子电池；到2030年，全球每年产将增加200万吨废锂离子电池。
当前这些电池大多被填埋处理，即使它们可以回收。这些电池包装中含有可回收、加工及重新利用的贵金属及其它材料，但是，现在的回收量很少。例如，在澳大利亚，只有约2-3%的锂离子电池被回收。在欧盟和美国，回收率不到5%。
“锂离子电池回收尚未普遍实行有诸多原因，”美国阿贡国家实验室琳达 L. 盖勒斯表示。作为一名材料及生命周期分析专家，盖勒斯列举了技术限制、经济障碍、物流困难以及监管空白等原因。
所有这些问题都涉及经典的先有鸡还是先有蛋的难题。由于锂离子电池行业没有制定清晰的大规模经济回收战略，电池研究人员及制造厂商历来没将重点放在提高可回收性上。相反，他们都在设法降低电池成本、延长使用寿命以及提高充电量。而且由于研究人员在提高可回收性上取得的进展很小，只有很少的锂离子电池得到回收。
大多数的回收电池要进行高温熔融及提取，或者类似采矿业使用的熔炼。这些工艺用于大型商业设施，例如，在亚洲、欧洲及加拿大，均为能源密集型。这类工厂的建造及运营成本高昂，而且要用复杂的设备处理熔炼中排放的有害物。尽管这些设施成本很高，但仍不能回收全部有价值的电池材料。
对锂离子电池回收的研发正在加大步伐
迄今为止，对提高锂离子电池回收大多集中在为数不多的学术研究上，通常是独立进行的。但是，事情正在发生改变。在老化电动车及无处不在的便携式电子产品即将产生大量废旧锂离子电池的驱动下，创业公司正在将电池回收的新技术产业化。越来越多的科学家开始研究这一问题，经过电池回收教育的研究生和博士队伍不断扩大。此外，一些从事电池、生产及回收的专家已组成大规模、多学科的协作，以应对即将出现的挑战。
美国阿贡国家实验室的研究人员在研制袋式锂离子电池，探索电池回收 图片来源: Mitch Jacoby
例如，2019年1月美国能源部（DOE）部长瑞克· 佩里宣布成立DOE首家锂离子电池回收研究中心，简称ReCell。据杰弗雷S.史潘根伯格介绍，ReCell中心的主要任务是使电池的回收具有竞争力和经济效益，并有助于减少美国对进口钴等电池材料的依赖。ReCell的一期投资为1500万美元，总部位于阿贡国家实验室，已有来自六个国家的实验室和大学的50位研究员加入。这一计划还包括电池、汽车设备制造厂商、材料供应商及其它行业的合作伙伴。与此同时，DOE还设置了550万美元的电池回收奖，旨在鼓励企业家发现锂离子电池的收集、储存以及运输至回收中心的解决方案，为将旧电池变成新电池迈出第一步。
2018年，英国研究者创建一大型联合体，致力于提高电动车锂离子电池的回收。在伯明翰大学领导下，参加锂离子电池的再利用与回收（ReLiB）项目的成员来自八家学术机构的大约50位科学家和工程师，包括14家工业伙伴。
回收有利于降低生产成本及对生态环境的影响
电池专家和环保人士给出了回收锂离子电池的诸多理由。例如，回收的材料可用于制造新电池，使生产成本降低。目前，这些材料成本占电池成本的一半以上。两种常用的阴极金属钴和镍的价格近年来波动幅度很大，它们在电池生产的材料中价格最高。现在，钴和镍的价格大约为每吨27,500美元和每吨12,600美元。2018年，钴的价格每吨超过90,000美元。
在许多类型的锂离子电池中，这些金属连同锂和猛的含量均超过天然矿石，使废旧电池类似于富矿石。如果这些金属能从废旧电池中被大量回收，而且比从天然矿中提取更经济，那么电池和电动车的价格将会下降。
除了潜在的经济利益外，回收能减少材料被填埋的数量。电池中的钴、镍、锰等金属可从掩埋的地点迅速渗透，污染土壤和地下水，对生态系统和人体健康构成威胁。电池电解液中有机溶剂含有的氟化锂盐也是同样如此。
电池对环境的负面影响不仅仅是使用寿命结束之后，而且早在它们的生产前就开始了。正如阿贡国家实验室的盖勒斯所说，回收越多意味减少原矿的开采量越多，并降低相关的环境危害。例如，某些电池金属材料的开采需要对金属硫化物进行处理，不但能耗高，而且会排放SOX，导致酸雨。
减少对电池材料矿石的依赖，还可避免这些原材料消耗殆尽。有人通过计算建模，研究直到2050年不断增长的电池产量如何影响各种金属材料的地质储量。研究者表示这些预测“复杂而且不确定”，结果表明锂和镍的储量足以支持电池产量的快速增长。但是，电池生产可能使全球镍的储量降低10%以上。
锂离子电池回收的挑战
正如经济因素是电池回收的理由一样，它们也可成为不回收的理由。例如，电池原材料价格的大幅波动会使回收的经济性具有不确定性。尤其是近年来钴价的*，相对用新的材料制造锂离子电池，回收锂离子电池或重新利用它们是否还是一种好的商业模式，让人心存疑虑。从根本上讲，如果钴价下跌，回收钴同矿产钴的竞争在价格上将处于下风，生产厂商会选择矿产钴而不是回收钴，结果可能使回收企业停业。公司是否投资电池回收需要从长期经济方面考虑的另一点是，未来几年锂空气等不同类型的电池或者氢燃料电池等不同的汽车动力装置是否会牢牢地站稳脚根，从而降低对电池回收的需求。
电池化学也使回收复杂化。自90年代初索尼将锂离子电池产业化以来，研究人员反复对阴极材料的组成进行优化，以降低成本，提高充电能力、使用寿命及再充电时间等性能指标。
有些类型的锂离子电池采用氧化锂钴（LCO）制成的阴极材料，其它类型的采用锂镍锰钴氧化物（NMC）、锂镍钴铝氧化物、磷酸锂铁等材料。某种阴极材料中各类成份的比例，例如NMC，不同生产商可能存在很大差异。“结果锂离子电池中的材料总是变化多端的，这使回收很有挑战性，”，香港理工大学的电池回收专家梁安表示。回收公司需要根据组成对电池进行分类和分离，以满足回收材料买方的规格标准，这会使处理过程更加复杂而且成本增加。
电池的结构会增加回收操作的复杂性。锂离子电池为外形紧凑、设计复杂的设备，大小和形态各异，且未作分解设计。每个电池由阴级、阳级、分离器及电解液组成。阴极通常由掺混炭黑的电化学活性粉末（LCO、NMC等 ）组成，与聚偏氟乙烯（PVDF）等高分子化合物一起粘黏于铝箔集电器上。阳极一般由石墨、PVDF、铜箔组成。隔离电极、防止短路的分离器为薄薄的、能渗透的塑料膜，常见为聚乙烯或聚丙烯。电解液多为LiPF6溶解于碳酸乙二酯和碳酸二甲酯混合物组成的溶液。这些部件被紧紧缠在一起，然后被牢牢地堆放和包装于塑料或铝制盒中。
驱动电动车的大型电池包可由数千个按模块分组的电池组成。这类电池包还设有控制电池运行的传感器、安全装置及电路，使拆解和回收增加新的难度及额外的成本。
所有这些电池的部件和材料均需由回收者处理，以获得有价值的金属等材料。与此形成鲜明对比，铅酸汽车电池很容易拆解，约占电池重量60%的铅能轻易与其它部分分开。在美国，电池中的铅几乎100%地被回收，这一比例远远高于玻璃、废纸及其它材料的回收率。
提高回技术
现在，有几家大型冶金或熔炼厂回收锂离子电池。这些装置常在近1,500 °C温度下运行，回收钴、镍、铜，但不回收锂、铝或有机化合物，将它们焚烧掉。建设这些装置都需要巨资，部分原因是在熔炼中排放的有毒氟化物需处理。
例如，湿法冶金加工，或称化学淋滤，在中国得到工业应用，为一种具有较低的能量密集的替代工艺，所需的资金成本较低。采用这些工艺提取和分离阴极材料一般在低于100 °C温度下进行，除了其它过渡金属外，还能回收锂和铜。而传统溶滤法的劣势为需要腐蚀性试剂，例如，盐酸、硝酸、硫酸及过氧化氢等。
一些实验室规模的研究已发现提高回收的潜在方法，但只有少数几家公司开展中试规模的回收试验。在不列颠哥伦比亚省温哥华，一家美国锰工厂以1 kg/h将阴极废料转化成初级材料，提供给生产厂商合成新的阴极材料。
位于马萨诸塞州沃尔赛斯特的电池资源公司拥有一套中试装置，能以大约每天0.5吨的能力处理锂离子电池。据CEO埃瑞克·格拉扎介绍，目前正在积极研究将产能提高10倍。许多现有的回收技术都会产生多种单一金属的化合物，必需合为一体，才能制造新的阴极材料。电池资源的工艺将镍、猛和氢氧化钴的混合物进行沉淀。这种混合金属的阴极初级材料简化了电池的准备工序，可降低生产成本。
与此同时，DOE的ReCell团队还在研究所谓直接回收法，不增加处理成本，将电池材料进行回收和再利用。一种方法是采用超临界二氧化碳将电解液脱除，然后将电池粉碎，用物理法将其中的材料分离，例如，以不同密度为基础。
原则上，经过这种简单处理后，几乎所有的组成成分都可重新使用。尤其是这种技术不使用任何酸碱试剂，阴极材料的形态和结晶型结构会保持不变，材料仍然保持原有的电化学性能，从而具有很高价值。
伯明翰大学ReLib团队的成员在研制对废弃锂离子电池进行安全、自动化处理的技术 图片来源: Extreme Robotics Lab
伯明翰大学ReLiB项目的首席调查员保尔·安得逊说，项目团队认为采用自动化技术提高电池回收的经济效益具有明确的机会。为此，他们正在开发机器人对锂离子电池分类、拆解及回收有价值材料的程序。用机器人拆解电池能消除电子和化学产物对工人的伤害。自动化还会使电池部件的分离更快，并提高其纯度和价值。
尽管这些战略规划大多处于开发的早期，但对于它们的需求却在不断增加。目前，处于报废的电动车电池为数甚少，但是其数量即将骤然增加，大量等待回收的废弃电池将堆积成如山，因此必须尽快开发破解电池回收困局的新技术。机会永远与挑战并存。现在，是该迎难而上、认真对待锂离子电池回收的时候了。
(作者: 恒铂chem 来源: 美国化学与工程新闻)
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