如何回收數(shù)以百萬計的廢舊電動車電池？

核心觀點：在美國內(nèi)華達州等地，企業(yè)家們期待著即將到來的電動汽車鋰離子電池報廢熱潮，并希望為回收的礦物創(chuàng)造一個市場。

向內(nèi)華達州里諾市以東30行駛英里，經(jīng)過布滿灰塵、點綴著淡藍色鼠尾草的山丘和偶爾出現(xiàn)的人身傷害律師廣告牌，一座巨大的混凝土建筑赫然聳立在沙漠中。完全建成后，它將成為一項商業(yè)的試點，企業(yè)家們將其視為美國未來綠色經(jīng)濟的一個重要方面：鋰離子電池回收。

建筑經(jīng)理查克·萊伯指出了卡車卸下電池的區(qū)域，以及房間里用來收集泄漏化學(xué)品的深層排水管。他向我展示了建筑下方的兩英尺厚的混凝土板，這是一個堅實的地基，以便工人們移動設(shè)備和調(diào)整廠房，從而改進回收過程。今年晚些時候，第一批電池將在這里進行處理，最終目標(biāo)是逐步提高到每年處理2萬噸電池。

這座占地6萬平方英尺的工廠由美國電池技術(shù)公司所擁有，這是一項積極的探索，旨在解決電動汽車帶來的環(huán)境問題——生產(chǎn)它們的電池組需要大量的資源。這也是在考驗商業(yè)領(lǐng)袖能否兌現(xiàn)他們幫助建立循環(huán)經(jīng)濟的承諾：在循環(huán)經(jīng)濟中，材料可以無限期地重復(fù)使用，最大限度地減少從地球上不斷開采更多礦物的需求。

自2019年以來，電動汽車在汽車市場上的份額增加了兩倍多，2021年全球銷量達到660萬輛。在降低氣候影響的壓力及直接的監(jiān)管下，許多汽車制造商已經(jīng)承諾在2040年前停止銷售新的燃油汽車?！拔覀兊哪繕?biāo)是在五年內(nèi)讓數(shù)千萬輛電動汽車上路，”可持續(xù)發(fā)展咨詢公司Anthesis Group的亞歷山大·米洛瓦諾夫說，他研究了電動汽車轉(zhuǎn)型將如何影響美國的電網(wǎng)，“我們談?wù)摰氖且粋€正在爆炸式增長的市場?！?/p>

為了滿足不斷增長的電動車電池需求，美國政府和企業(yè)正在投資國內(nèi)所需礦物的開采——包括鎳、錳、鈷和鋰（其價格在2021年增長到四倍多）。他們同時也在尋找方法，通過回收利用來減少對新開采材料的依賴。2022年3月，美國總統(tǒng)喬·拜登援引《國防生產(chǎn)法》來增加高需求礦物的供應(yīng)，引導(dǎo)國內(nèi)對采礦和其他形式的回收進行投資。

研究人員表示，解決回收利用問題有助于避免持續(xù)采礦和有害電池廢棄物積累帶來的環(huán)境風(fēng)險，然而對這些電池進行再加工和提煉其中的金屬以供重復(fù)使用既困難又昂貴，而且許多人仍然懷疑這種電池供應(yīng)鏈能否持續(xù)運作?！半妱悠囯姵厥且豁椄叨葟?fù)合的技術(shù)，其中包含許多不同的組件，因此回收設(shè)施將會非常復(fù)雜，”加州大學(xué)河濱分校的地質(zhì)學(xué)家邁克爾·麥吉本說，“從長遠來看，這很重要；但從短期來看，它還有很長的路要走?！?/p>

提取特定礦物

為了給汽車供電，電池中的電子從負(fù)極（即陽極）移動到正極（陰極）。通常情況下，陽極由銅和石墨制成，而陰極由一類稱為鋰金屬氧化物的化合物組成，含有鋰以及鈷、錳和鎳等其他金屬。

所有這些金屬都必須提取出來，而且僅靠回收還不能滿足市場需求。盡管美國有很多銅礦（并從廢品回收中獲得相當(dāng)大一部分銅），但鋰離子電池中幾乎所有的其他金屬都來自其他國家的礦區(qū)。全球80%以上的鋰來自智利、澳大利亞和中國，而60%以上的鈷來自剛果民主共和國。

這種對海外市場的依賴可能伴隨著代價。例如，如今開采的大部分鋰來自智利脆弱的阿塔卡馬沙漠，那里通過在大型池塘中蒸發(fā)鹽水來提取鋰。這種方法具有成本效益，但研究人員和當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)對有毒廢棄物以及水資源枯竭和污染表示擔(dān)憂；據(jù)估計，提取1噸鋰需要50萬加侖的水，其中大部分被蒸發(fā)掉。在一些地區(qū)，開采電池金屬也與侵犯人權(quán)有關(guān)，例如剛果民主共和國的鈷礦，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設(shè)施。

電動汽車由大型電池組提供動力，電池組由數(shù)千個單獨的電池組成。每個電池包含四個主要部件：負(fù)極（陽極）、正極（陰極）、電極之間的塑料隔板，以及供鋰離子流動的電解液。生產(chǎn)這些部件需要消耗大量的能量和材料，尤其是陰極。

材料的長途運輸還會產(chǎn)生溫室氣體：在有人坐上全新電動汽車的駕駛座之前，一些電動汽車電池材料在運輸途中已經(jīng)旅行了數(shù)萬英里。（盡管如此，除了少數(shù)例外，電動汽車的碳足跡仍比燃油車要小，因此電氣化交通是減少碳排放、避免災(zāi)難性氣候變化的關(guān)鍵。）

目前，采礦仍然是必要的，研究人員認(rèn)為可以通過本土運營和新技術(shù)來減小其影響。但他們表示，改進回收利用技術(shù)和商業(yè)模式也至關(guān)重要。經(jīng)過數(shù)千次的充放電后，鋰離子電池的電極單元就會耗盡，正極材料就會出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)致電池?zé)o法儲存和提供足夠的電量。數(shù)以百萬計的電動汽車電池很快就會達到這種損耗程度，如果將它們存放在垃圾場，它們可能會滲出有毒化學(xué)物質(zhì)，甚至?xí)鸹?。少?shù)幾家美國公司回收電池進行再利用，但產(chǎn)能遠低于從汽車、手機、電腦和其他電子產(chǎn)品中回收鋰離子電池的產(chǎn)能。2019年，美國回收公司從垃圾填埋場轉(zhuǎn)化了約15%的報廢鋰離子電池。

回收利用所面臨的挑戰(zhàn)

盈利能力是一個主要障礙。盡管鋰離子電池中含有有價值的金屬，但很難把它們拆開，從一層層緊密堆疊的無機和有機化合物中提取礦物。據(jù)一項研究估計，回收鋰的成本是鹵水開采原始鋰的五倍。相比之下，燃油車上的鉛酸電池幾乎完全是從垃圾填埋場轉(zhuǎn)化和回收的?！芭c鋰離子電池相比，回收鉛酸電池非常容易，”地質(zhì)學(xué)家詹斯·古茲曼說，他是德國亥姆霍茲弗萊貝格資源技術(shù)研究所的所長，也是《材料科學(xué)研究前沿進展年鑒》上一篇關(guān)于構(gòu)建循環(huán)金屬經(jīng)濟的文章的合著者。

組成鋰離子電池的礦物來源于世界各地，其中一些來源于環(huán)境和勞工標(biāo)準(zhǔn)相對較差的國家。上圖給出了一些主要電池礦物的主要來源。

另一個問題是，目前主要的鋰離子電池回收工藝也不是特別高效。許多回收商使用火法冶金工藝，需要熔化電池和燒掉塑料隔板以提取目標(biāo)金屬?；鸱ㄒ苯鹗悄茉疵芗偷?，會排放有毒氣體，而且根本無法回收包括鋰在內(nèi)的一些有價值的礦物。

隨著電動車銷售額不斷增長，大規(guī)模的電動車電池報廢潮將很快加劇回收問題。研究人員預(yù)測，到2028年，全世界將有超過100萬噸的電池需要處理。倫敦大學(xué)國王學(xué)院的材料科學(xué)家勞拉·蘭德說：“我喜歡把它與塑料行業(yè)進行比較——我們有很多塑料垃圾，而人們并沒有真正面對這個問題——我只是擔(dān)心這種情況也會發(fā)生在電池上?！倍鶕?jù)澳大利亞悉尼科技大學(xué)可持續(xù)未來研究所撰寫的一份報告，如果能夠?qū)崿F(xiàn)盈利，那么到2040年，實現(xiàn)規(guī)?；厥针妱榆囯姵乜梢詫⑷?qū)π麻_采的鋰的需求減少25%，對鈷和鎳的需求減少35%。

美國能源部的ReCell中心正在努力改善電池回收過程，該中心由國家實驗室和大學(xué)合作，于2019年啟動。在這里，研究人員正在努力擴大所謂的“直接回收”的規(guī)模。 這種方法旨在更好地回收陰極材料，它是一種精心制造的粉末，而熔化或溶解整個電池會破壞它。阿貢國家實驗室和ReCell中心的材料科學(xué)家阿爾伯特·里普森說：“他們投入了大量的時間和精力來制造這些漂亮的直徑約為10微米的球形顆粒，它們具有正確的晶體結(jié)構(gòu)?！?/p>

里普森的研究團隊開發(fā)了一種化學(xué)工藝，能夠成功回收陰極粉末，然后通過添加新的鋰使其重獲新生，恢復(fù)原電池老化時失去的充電能力。與其他使用能源密集型步驟重新制造陰極材料的回收工藝相比（這些方法中有一個步驟需要將材料投入巨大的熔爐中），直接回收方法可以提升回收電池組件的利潤，同時減少溫室氣體排放。ReCell的直接回收方法目前只在實驗室規(guī)模的批次中進行，但里普森說他的團隊正在與公司合作擴大該方法的規(guī)模。

電池回收初創(chuàng)公司主要使用一種叫做濕法冶金的技術(shù)，將電池溶解在酸中，然后用溶劑來提取礦物質(zhì)。盡管濕法冶金并不是什么新鮮技術(shù)，但美國電池技術(shù)公司、紅木材料公司等回收公司均表示，他們正在提高濕法冶金的效率，回收的材料也比過去更多。這兩家公司都位于內(nèi)華達州北部，且都由前特斯拉工程師領(lǐng)導(dǎo)。

美國電池技術(shù)公司的負(fù)責(zé)人瑞安·梅爾塞特說，他在特斯拉的超級工廠（位于內(nèi)華達州斯帕克斯郊外的一座組裝電池的巨型工廠）的工作經(jīng)歷啟發(fā)他提出了改進回收技術(shù)的方法。他的公司不會像老式的濕法冶金回收那樣粉碎電池，而是使用機器分解廢舊電池，將塑料、鋁和鋼等低價值部件分離并出售，然后通過專利化學(xué)反應(yīng)提取鎳、鈷、錳和鋰。

梅爾塞特說：“我們的團隊不會僅僅把電池扔進爐子或粉碎機，而是基本上采用了許多為制造電池而開發(fā)的技術(shù)，以相反的順序進行操作?！彼f，該工藝可以回收90%以上的高價值元素。

從汽車中獲取電池

然而，為了回收電池，這些初創(chuàng)公司首先要確保這些電池組能夠被送到他們的工廠——這本身就是一個挑戰(zhàn)，因為目前處理報廢汽車的工廠沒有針對電動汽車的規(guī)范流程，包括如何處理電池。梅爾塞特表示，他的公司希望與通用汽車、福特和斯特蘭蒂斯（擁有道奇、吉普和瑪莎拉蒂等多個品牌）建立新的合作關(guān)系，以確保在汽車以舊換新時，電池將被送去回收利用。而紅木材料公司已經(jīng)宣布與大眾、豐田、福特和其他汽車制造商在電池收集和回收方面開展合作。

我和建筑經(jīng)理萊伯在美國電池技術(shù)公司未來的回收設(shè)施中穿行，他向我展示了成品倉庫的位置，就在卡車卸貨點對面的大樓里。在第一階段的運營中，這些成品將由“黑色物質(zhì)”組成，這是一種易碎的貴重金屬混合物，將被出售給冶煉公司進行進一步精煉，然后轉(zhuǎn)售給電池制造商。最終，該公司計劃增加第二階段，就地將這種混合物進行精煉，分別提取各種礦物。

國際能源署預(yù)計，為了實現(xiàn)將全球氣溫上升幅度控制在遠低于2攝氏度（可持續(xù)發(fā)展方案）的碳排放削減目標(biāo)，針對幾種關(guān)鍵礦物的需求將會激增。如果各國只是按照目前的承諾（既定政策）采取行動，需求同樣會增加，只是增速較小。

美國電池技術(shù)公司、紅木材料公司、再提取技術(shù)公司和加拿大的鋰循環(huán)公司構(gòu)成了美國電動汽車電池回收產(chǎn)能的四大支柱，它們在網(wǎng)站上展示的愿景表明，它們正在努力建立一個無限可回收的供應(yīng)鏈。但電池礦物真的可以無限重復(fù)使用嗎？米洛娃諾夫和古茲曼等專家表示，由于勞動力成本和能源需求等障礙，這是不太可能的。但里普森說，只要經(jīng)濟上可行，在技術(shù)上還是有可能實現(xiàn)規(guī)模化，回收電池中90%以上的鋰、鈷、鎳和銅。

歸根結(jié)底，電池回收的成功取決于它能否足夠便宜。負(fù)責(zé)任采礦保證倡議聯(lián)盟的執(zhí)行董事艾梅·布蘭格表示，即使技術(shù)有所改進，回收商也可能難以使他們的產(chǎn)品在成本上與原始礦物競爭。該組織與企業(yè)合作，改善采礦項目的環(huán)境和勞工標(biāo)準(zhǔn)?？赡苓€需要有激勵措施和法規(guī)：在歐盟，監(jiān)管機構(gòu)已經(jīng)提出了可持續(xù)電池的指導(dǎo)方針，其中包括要求電池中含有一定比例的回收材料。

梅爾塞特很樂觀。他認(rèn)為，由于現(xiàn)在大多數(shù)電池礦物都是在國際上開采的，原始礦物的運輸和進口成本將使本土回收材料具有競爭力，這一計算得到了一些研究的支持。他希望大約再過兩年，就開始建設(shè)一個規(guī)模更大的工廠，以跟上不斷增長的電動汽車銷量。由于市場對礦物的需求超過了目前回收所能提供的量，他的公司還擁有內(nèi)華達州中部的鋰礦開采產(chǎn)業(yè)的股份。

“一些世界上最大的公司正在盡可能多地購買回收的電池金屬，”他說，“現(xiàn)在的挑戰(zhàn)是誰能最快實現(xiàn)規(guī)?；??！?/p>