難拆解、難回收，每年數(shù)以百萬計(jì)的廢棄電池，在電動(dòng)汽車時(shí)代將成新問題
大數(shù)據(jù)文摘出品
編輯：王燁
根據(jù)智研咨詢數(shù)據(jù)，2020年中國純電動(dòng)汽車銷量為111.5萬輛，同比增長14.8%。
隨著越來越多的電動(dòng)汽車進(jìn)入市場，一個(gè)不得不考慮的問題開始出現(xiàn)——淘汰下來的電池該怎么處理？
可能由于這些年銷售的電動(dòng)汽車電池還沒有到壽命，這個(gè)問題現(xiàn)在似乎還沒有成為大麻煩，但是按照特斯拉8年電池質(zhì)保的條件來看，未來十年左右預(yù)計(jì)有巨量淘汰下來的電動(dòng)汽車電池需要處理，而這些電池如果處理不好，反而會(huì)污染環(huán)境，與電動(dòng)汽車環(huán)保的初衷背道而馳。
萊斯特大學(xué)的材料科學(xué)家Dana Thompson警告說，回收電動(dòng)汽車電池可能是一件危險(xiǎn)的事情。
比如電動(dòng)汽車電池如果被錯(cuò)誤拆解，或者放錯(cuò)了地方，可能會(huì)引發(fā)短路、燃燒，甚至釋放有毒氣體。
各國都在未雨綢繆，效益問題卻無法解決
如何回收處理未來每年數(shù)百萬電動(dòng)汽車的廢棄電池？這是包括Thompson在內(nèi)的研究人員面臨的眾多問題。
現(xiàn)實(shí)情況并不樂觀。
目前的電動(dòng)汽車電池“實(shí)際上并不是為回收而設(shè)計(jì)的，”Thompson說，他同樣還是法拉第研究所的研究員，該研究所是英國的一個(gè)電池問題研究中心。
在電動(dòng)汽車稀少的時(shí)候，這并不是什么大問題。但是現(xiàn)在這項(xiàng)技術(shù)正在起飛。一些汽車制造商表示，他們計(jì)劃在幾十年內(nèi)逐步淘汰內(nèi)燃機(jī)，行業(yè)分析師預(yù)測，到2030年，至少有1.45億輛電動(dòng)汽車上路，而去年只有1100萬輛。
“人們開始意識(shí)到這是一個(gè)問題。”Thompson說。
各國政府都在向要求電動(dòng)汽車電池可以實(shí)現(xiàn)某種程度的再循環(huán)：
2018年，中國出臺(tái)了旨在促進(jìn)電動(dòng)汽車電池組件再利用的新規(guī)定；
歐盟也有望在今年最終確定這方面的第一個(gè)要求；
在美國，聯(lián)邦政府尚未提出回收要求，但包括美國最大的汽車市場加利福尼亞在內(nèi)的幾個(gè)州正在探索制定自己的規(guī)則。
材料科學(xué)家Thompson開發(fā)了從廢舊汽車電池中提取有價(jià)金屬的溶劑。
為了啟動(dòng)循環(huán)利用，各國政府和工業(yè)界也正投入資金進(jìn)行一系列研究。美國能源部（DOE）已經(jīng)向ReCell中心注資約1500萬美元，以協(xié)調(diào)學(xué)術(shù)界、工業(yè)界和政府實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家的研究，英國已經(jīng)支持了研究電池回收的ReLiB項(xiàng)目。
“隨著電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，取得進(jìn)展的必要性變得越來越迫切”，Linda Gaines說，她在美國能源部的阿貢國家實(shí)驗(yàn)室電池回收中心從事電池回收工作。
遺憾的是，盡管從技術(shù)上來說，回收可以實(shí)現(xiàn)，但是從效益上來說，回收很難普及。
電動(dòng)車鋰電池在化學(xué)和結(jié)構(gòu)上差別很大，這使得企業(yè)很難建立有效的回收系統(tǒng)，電池中的固件通常是用膠水粘在一起的，這又使得它們很難被分開。
這就給企業(yè)造成了一個(gè)經(jīng)濟(jì)障礙：電池制造商購買新材料通常比回收的電池材料成本要低。
電池回收過程中仍然無法避免污染
電動(dòng)汽車電池的構(gòu)造有點(diǎn)像套娃，通常，一個(gè)核心包含幾個(gè)模塊，每個(gè)模塊由許多較小的單元格構(gòu)成（見下圖）。
在每個(gè)電池中，鋰原子穿過石墨陽極和金屬氧化物陰極之間的電解液，電池類型通常是由陰極中的金屬定義的，主要有三種類型：鎳鈷鋁、鐵磷酸鹽和鎳錳鈷。
現(xiàn)在，回收商主要針對(duì)陰極中的金屬，比如鈷和鎳，這些金屬的價(jià)格很高（鋰和石墨太便宜，回收利用不經(jīng)濟(jì)），但是由于數(shù)量少，回收這些金屬就像大海撈針。
目前的回收手段主要有兩種，即火法冶金和濕法冶金。
火法冶金比較常見?；厥丈淌紫葯C(jī)械地將電池撕碎，然后燒毀，留下大量燒焦的塑料、金屬和膠水。到了這一步，他們可以使用幾種方法來提取金屬，包括進(jìn)一步燃燒。“這實(shí)質(zhì)上是把電池當(dāng)作直接從礦井里采出來的礦石來對(duì)待，”Gaines說。
相比之下，濕法冶金則需要將電池材料浸泡在酸液中，洗出含有金屬的液體，有時(shí)火法冶金和濕法冶金這兩種方法會(huì)結(jié)合在一起使用。
這兩種方法都各優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。
火法冶金，不需要回收者知道電池的設(shè)計(jì)或成分，甚至不需要知道電池是否完全放電，但它消耗能源；
濕法冶金可以提取不容易通過燃燒獲得的材料，但它可能涉及對(duì)健康構(gòu)成危險(xiǎn)的化學(xué)品，為此研究人員正在試驗(yàn)一些化合物，這些化合物可以解某些電池金屬，讓其他金屬仍以固態(tài)形式存在，這使得它們更容易回收。
例如，Thompson已經(jīng)確定了一種候選溶劑，一種叫做深度低共熔溶劑的酸堿混合物，可以溶解除鎳以外的所有物質(zhì)。
另外，這兩個(gè)過程都會(huì)產(chǎn)生大量的廢物并排放溫室氣體。此外，這種商業(yè)模式也可能岌岌可危：大多數(shù)業(yè)務(wù)依靠銷售回收鈷來維持運(yùn)營，但現(xiàn)在的電池制造商正試圖擺脫這種相對(duì)昂貴的金屬。
普渡大學(xué)的材料科學(xué)家Rebecca Ciez說，如果這種情況發(fā)生，回收商可能會(huì)試圖出售成堆的“垃圾”。
什么才是理想的回收？
火法冶金把廢電池?zé)扇墼?，而濕法冶金則把它們?nèi)芙庠谒嶂?，兩者的目的都是提取陰極材料。理想的做法是直接回收，這樣可以完好地回收陰極。
Gaines指出，這對(duì)電池制造商很有吸引力，因?yàn)樵偕帢O不涉及大量處理?！耙虼?，如果你在考慮循環(huán)經(jīng)濟(jì)，（直接回收）是一個(gè)比火法冶金和濕法冶金更簡潔的過程?！?/span>
在直接回收過程中，工人們首先要對(duì)電解液進(jìn)行真空處理，然后將電池電池粉碎，之后，他們再將用加熱或溶劑去除粘合劑，并使用浮選技術(shù)分離陽極和陰極材料。
到目前為止，直接循環(huán)實(shí)驗(yàn)只在單個(gè)電池上實(shí)現(xiàn)了，只產(chǎn)生了幾十克的陰極粉末。但是美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室的研究人員建立的經(jīng)濟(jì)模型表明，如果在適當(dāng)?shù)臈l件下擴(kuò)大規(guī)模，這項(xiàng)技術(shù)在未來是可行的。
不過，要實(shí)現(xiàn)直接回收，電池制造商、回收商和研究人員需要解決一系列問題。
其中之一是確保制造商在電池上貼上標(biāo)簽，以便回收商了解他們正在處理的電池種類，以及正極金屬是否有價(jià)值。
Gaines指出，鑒于電池市場的快速變化，目前生產(chǎn)的陰極可能無法找到未來的買家，回收者將“回收一只恐龍”，沒有人會(huì)想要這種產(chǎn)品?！?/span>
德國的一名技術(shù)人員正在確保燒毀的鋰離子電池在進(jìn)一步回收前已經(jīng)放電完畢
可拆解的電池也很關(guān)鍵
回收的另一個(gè)挑戰(zhàn)是如何有效地破解電動(dòng)汽車電池。尼桑的Leaf電池組件拆卸需要2小時(shí)，特斯拉的電池則是獨(dú)一無二的，不僅因?yàn)樗鼈兊膱A柱形狀，還因?yàn)樗鼈冇蓭缀鯃?jiān)不可摧的聚氨酯膠水粘合在一起。
研究人員指出，工程師們也許能夠制造出能夠加速電池分解的機(jī)器人，但是即使你進(jìn)入電池，棘手的問題仍然存在，這是因?yàn)楦嗟哪z水被用來固定陽極、陰極和其他部件。
回收商用來溶解陰極粘合劑的一種溶劑毒性極大，歐盟（European Union）已對(duì)其使用實(shí)行了限制，美國環(huán)境保護(hù)局（U.S. Environmental Protection Agency）去年也認(rèn)定，這種溶劑對(duì)工人構(gòu)成了“不合理的風(fēng)險(xiǎn)”。
萊斯特大學(xué)的化學(xué)家和 Thompson 的顧問 Andrew Abbott 說: “就經(jīng)濟(jì)學(xué)而言，你必須拆解... ...如果你想拆解，那么你必須擺脫這些膠水?！?/span>
為了簡化這一過程，Thompson和其他研究人員正在敦促電動(dòng)汽車和電池制造商開始在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)就考慮到回收利用。
Andrew Abbott說，理想的電池應(yīng)該是一個(gè)圣誕拉炮——這是一個(gè)英國的節(jié)日禮物，當(dāng)收件人拉開兩端，露出糖果或信息時(shí)，包裝就會(huì)自動(dòng)彈開。
他以中國電動(dòng)汽車制造商比亞迪去年推出的Blade電池（Blade Battery）為例。它的包去掉了模塊組件，而是直接在內(nèi)部存放電池單元，這些單元可以很容易地用手去除，而不需要用電線和膠水。
2018年，中國開始要求電動(dòng)汽車制造商負(fù)責(zé)確保電池的回收利用，于是Blade電池應(yīng)運(yùn)而生。
中國現(xiàn)在回收的鋰離子電池比世界其他國家加起來還要多，大部分使用的是火法和濕法冶金方法。
采取類似政策的國家面臨著一些棘手的問題。Thompson說，其中一個(gè)問題是，誰應(yīng)該承擔(dān)促成回收利用的主要責(zé)任?！斑@是我的責(zé)任，因?yàn)槲屹I了（一輛電動(dòng)汽車），還是制造商的責(zé)任，因?yàn)樗麄冎圃炝穗妱?dòng)汽車？”
在歐盟，一個(gè)明確的答案可能會(huì)在今年晚些時(shí)候出現(xiàn)，屆時(shí)歐盟官員將公布?xì)W洲大陸的第一條規(guī)則。明年，加利福尼亞州成立的一個(gè)專家小組預(yù)計(jì)將對(duì)美國的政策產(chǎn)生重大影響。
與此同時(shí)，回收利用研究人員表示，有效的電池回收不僅僅需要技術(shù)進(jìn)步。長途運(yùn)輸或跨境運(yùn)輸可燃物品的高成本也可能會(huì)阻礙回收。
因此，在合適的地方設(shè)立回收中心可能會(huì)產(chǎn)生“巨大的影響”，Harper說?！暗?，在系統(tǒng)運(yùn)作和將所有這些不同的研究結(jié)合起來方面，將會(huì)有一個(gè)真正的挑戰(zhàn)。”
沒有時(shí)間可以浪費(fèi)了，Abbott說。他說：“你肯定不想看的是10年生產(chǎn)的電池完全無法分解，目前還沒有發(fā)生這種情況，但人們在大聲疾呼，擔(dān)心這種情況會(huì)發(fā)生?！?/span>
相關(guān)報(bào)道：
https://www.sciencemag.org/news/2021/05/millions-electric-
cars-are-coming-what-happens-all-dead-batteries
https://www.d1ev.com/news/shichang/95794
https://www.zhihu.com/question/392785338
