新能源汽车引发的电池回收危机

Posted 2022-05-26 CSDN资讯

【CSDN编者按】人们总是会在解决旧问题时制造出新的问题，如此循环。为了解决能源危机，制造了电动汽车。当电动汽车将要蓬勃发展时，电池污染以及回收又成为一大难题。随着几百万辆电动汽车即将上路，科学家们正在寻找更好的电池回收方法。

原文链接：https://www.science.org/content/article/millions-electric-cars-are-coming-what-happens-all-dead-batteries
译者| 章雨铭 责编 | 屠敏
出品 | CSDN（ID：CSDNnews）

以下为译文：

特斯拉Model S的电池组堪称复杂工艺中了不起的作品。数以千计的圆柱形电池和来自世界各地的组件将锂和电子转化成的能量，能够让汽车行驶数百公里，而且不会产生尾气。但是，这些电池达到其使用寿命后，它们产生的绿色效益就会随之消失。如果这些电池最终的“归宿”是垃圾填埋场，它们就会释放有毒的物质，比如重金属。莱斯特大学（the University of Leicester）的材料科学家Dana Thompson警示道，回收电池也可能成为一项危险的工作。

而回收的问题只是Thompson这些研究人员面临的众多问题之一，他们正试图解决一个新的问题：如何回收制造商预计在未来几十年内生产的数百万个电动汽车的电池。法拉第研究所（一个专注于英国电池问题的研究中心）的研究员Thompson表示，目前的电动汽车电池真的不是为回收而设计的。

在电动汽车没有兴起时，这并不算是个大问题。但时过境迁，现在这项技术正在蓬勃发展。几家汽车制造商表示，他们计划在几十年内逐步淘汰内燃机。行业分析师预测，到2030年，至少有1.45亿辆电动汽车会上路，而去年只有1100万辆。Thompson说：“人们开始意识到麻烦来了。”

政府正在逐步地推进一些政策，来进行一定程度地回收。2018年，中国实施了旨在促进电动汽车电池组件再利用的新规定。美国联邦政府还尚未推进回收要求，但是包括加利福尼亚州在内的几个周正在探索制定自己的规则。

制定规则并非易事。电池在化学和结构方面差异很大，所以很难创建有效的回收系统。这些电池通常用牢固的胶水固定在一起，很难被分解。这导致了一个经济难题：电池制造商购买新开采的金属通常比使用可回收材料更经济。

（材料科学家Dana Thompson开发了用于从废旧汽车电池中提取有价值金属的溶剂）

研究人员指出，更好的回收方法不仅能够防止污染，还可以通过增加由一个或几个国家控制的关键电池金属的供应来帮助政府提高经济和增强国家安全。伯明翰大学（University of Birmingham）研究电动汽车政策问题的研究员Gavin Harper说：“一方面，处理电动汽车电池是一个关于废物管理的问题，另一方面，这也是个生产可持续关键材料二次使用的机会。”

电动汽车电池结构有点像套娃。通常，一个主包里包含多个模块，每个模块都是由许多较小的单元构成的。在每个电池内部，锂原子在石墨阳极和由金属氧化物组成的阴极片之间通过电解质。电池通常根据阴极中的金属来分类。主要有三种类型：镍钴铝，磷酸铁和镍锰钴。

现在，回收商主要对阴极中的金属进行回收，如钴和镍，因为这些金属价格高昂。（锂和石墨太便宜了，回收利用经济效益不强。）而钴和镍的电池数量很少，寻找这些金属像是大海捞针，很难找到和回收。

废旧电池的新生命

为了确保现在销售出的电动汽车的电池可以在2030年及以后（届时每天都会产生数千个废旧电池）回收利用，科学家们正在努力研究。电动汽车的电池设计五花八门，但通常这些组件时相同的：（如下图）

为了提取这些金属，回收商主要依靠两种技术：火法冶金法和湿法冶金法。其中火法冶金法更加常见，回收商首先将电池切碎，然后进行燃烧，留下烧焦的塑料、金属和胶水。这时，他们可以使用几种方法来提取金属，比如进行进一步燃烧。Gaines说：“火法冶金法本质上时将电池当成一种矿石来处理。相比之下，湿法冶金法是将电池材料浸入酸池中，使其产生富含金属的液体。有时回收商会将这两种方法结合使用。

每种方法都各有优缺点。比如，如果使用火法冶金法，回收商不需要知道电池的设计或成分，甚至不需要完全放电。但这种方法需要消耗很多能源。湿法冶金法可以提取不容易通过燃烧获得的材料，但有可能会产生危害健康的化学物质。而且从化学混合液中回收所需的元素可能有一定的难度，尽管研究人员正在尝试制造一些能够溶解某些电池金属但使其他电池金属保持固体形式的化合物。例如，Thompson已经确定了一种候选药物，一种称为深共晶溶剂的酸和碱的混合物，可以溶解除镍以外的所有物质。

普渡大学（ Purdue University）的材料科学家Rebecca Ciez说，研究发现，这两种方法都会产生大量的废物并排放温室气体。这使一种商业模式摇摇欲坠：大多数业务依赖于销售回收钴来维持业务，但电池制造商正试图摆脱这种相对昂贵的金属。如果电池制造商不再使用这类昂贵金属，那么回收商出售的可能是成堆的“废品”。

回收循环

火法冶金将废旧电池燃烧成炉渣，湿法冶金将其溶解在酸中。两者都旨在提取正极材料。理想的情况是直接回收，让阴极恢复。但是，要使回收可行，回收金属的成本就需要比新开采材料的成本更低。

理想的情况是能够直接回收，保留完整的阴极混合物。对于电池制造商来说，这很有吸引力，因为回收的阴极不需要大量加工。Gaines指出，因此，如果考虑循环经济，直接回收比火法冶金法和湿法冶金法都要好。

使用直接回收法，首先，工人会吸走电解质并切碎电池单元。然后，用高温或溶剂去除粘合剂，并使用浮选技术分离阳极和阴极材料。此时，正极材料的状态就像婴儿爽身粉。

到目前为止，直接回收实验只关注单个电池，只产生数十克阴极粉末。但美国可再生能源实验室的研究人员已经建立了经济模型，表明如果该技术在适当的条件下扩大规模，将来是可行的。

然而，为了实现直接回收，电池制造、回收商和研究人员需要解决一系列问题。首先是制造商，需要为他们的电池贴上标签，以便回收商知道他们正在处理的电池种类，以及阴极金属是否有任何价值。Gaines指出，电池市场瞬息万变，今天生产的阴极可能未来无法找到买家。回收商回收的东西可能没人要。

（图源路透社，技术人员在确保进一步回收之前将燃烧的锂离子电池放电）

另一个挑战是有效地拆解电动汽车电池。日产的矩形Leaf电池模块可能需要2个小时才能拆卸。而特斯拉的电池是独一无二的，不仅因为其电池是圆柱形形状，还因为它们是由几乎坚不可摧的聚氨酯水泥固定在一起的。

研究人员指出，工程师也许能够制造出可以加速电池拆卸的机器人，但即使拆除了电池以后，棘手的问题仍然存在。制造商在将将阳极，阴极和其他组件固定在一起时需要使用更多的胶水，但是回收商用来溶解阴极粘合剂的一种溶剂毒性非常大，欧盟已经对其使用进行了限制。

“从经济学上来看，你必须拆解电池······然而如果想要拆解，就必须先解决胶水的问题。”莱斯特大学化学家Andrew Abbott说。

为了更好地解决这些问题，Thompson和其他研究人员正在敦促电动汽车和电池制造商在设计产品时考虑到回收利用的问题。Abbott说，理想的电池应该很简易。比如说，中国电动汽车制造商比亚迪去年发布的磷酸铁锂电池，它的包装取消了模块组件，而是将扁平电池直接存储在内部。这些电池可以能够用手很容易的拆解。

Blade Battery是在2018年中国开始让电动汽车制造商负责电池回收后出现的。中国现在回收的锂离子电池比世界其他地区的总和还要多，主要使用的是火法冶金法和湿法冶金法。

但是如果要采取类似的政策还面临着一些棘手的问题。Thompson说：“其中有个问题是，谁应该承担实现回收利用的主要责任。是消费者的责任，因为他买了一辆电动汽车，还是制造商的责任，因为他们制造并出售电动汽车？”

今年晚些时候，欧盟可能会发布关于电池回收的第一条规定。
与此同时，回收研究人员表示，有效的电池回收需要的不仅仅是技术进步。还有许多问题有待解决。比如远距离或者跨境运输可燃物的成本过于高昂，可能会阻碍回收。因此，回收中心的位置变得非常关键。

时间很紧迫。 Abbott说：“你不想要的是10年堆积起来的废旧电池，虽然这还没发生，但已经人心惶惶。”