《Science》: 电动汽车时代,未来的数百万废旧电池该如何处理?

电动汽车特斯拉Model S的电池包可谓是一个复杂的超级工程。数千根圆柱形电池以及来自世界各地的零部件将锂和电子转化成足够的能量,推动车辆一次又一次行驶数百公里,并且实现“零尾气排放”。

但当电池使用寿命接近尾声时,它的绿色优势也就消失了。如果电池的最终命运是被填埋,那么它们会释放出包括重金属在内的有毒物质。

 

电动汽车时代,未来的数百万废旧电池该如何处理?(附超详细图文解说)|Science新闻
切碎的电动汽车电池可以产生可循环利用的金属,但对于电池制造商而言,使用新材料通常更便宜
ARGONNE NATIONAL LABORATORY

英国莱斯特大学的材料科学家达娜·汤普森警告说,回收电池将可能是一项危险的工作。如果在特斯拉电池上切得太深或者切错了地方,就会导致电池短路、燃烧并释放有毒烟雾。

这只是包括汤普森在内的研究人员面临的众多问题之一,这些研究人员正试图解决一个萌芽中的问题:如何回收制造商们预计在未来几十年生产的数百万块电动汽车电池。

汤普森也是英国电池研究中心法拉第研究所(Faraday Institution)的一名研究员,她说,目前的电动汽车电池“真的不是为了回收而设计的”。

在电动汽车还很少见的时候,这并不是什么大问题,但现在,电动汽车技术正在腾飞中。几家汽车制造商表示,他们计划在未来几十年内逐步淘汰内燃机。行业分析师预测,到2030年,至少将有1.45亿辆电动汽车上路,而去年仅有1100万辆汤普森说:“人们开始意识到这是个问题。”

各国政府正在逐步要求一定程度的电池回收。2018年,中国出台了旨在促进电动汽车电池组件再利用的新规定。欧盟预计将在今年最终确定其首批要求。而在美国,联邦政府尚未出台电池回收规定,但包括美国最大的汽车市场加州在内的几个州正在探索制定各州自己的规定。

要符合回收标准并不简单。电池在化学成分和结构上差别很大,这使得创建有效的回收系统变得颇为困难。而且,这些电池通常被坚固的胶水粘在一起,难以分离。这造成了一个经济上的障碍:电池制造商直接购买新开采的金属比使用回收材料的成本更低。

研究人员指出,更好的回收方法不仅可以防止污染,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,帮助政府提高经济和国家安全。

伯明翰大学研究电动汽车政策问题的研究员加文·哈珀表示:“一方面,处理电动汽车电池是一个废物管理问题。另一方面,这也为可持续生产关键材料的二次流提供了机会。”

电动汽车电池的构造有点像“套娃”。通常,一个主电池包会包含几个模块,每个模块都由许多更小的电池构成(见下文图片)。在电池内部,锂原子在石墨阳极和金属氧化物阴极之间的电解液中移动。电池通常是用阴极中的金属来定义的,主要有三种类型:镍钴铝、磷酸铁和镍锰钴。

现在,回收人员主要将钴和镍等阴极金属作为目标,因为这些金属能卖出高价。而锂和石墨太便宜了,回收利用的经济价值很低。但由于钴和镍的数量很少,回收这些金属就像大海捞针。

 

废旧电池的新生

科学家们正在努力确保目前销售的电动汽车电池在2030年甚至更早的时候能够被回收利用,届时每天将有成千上万的电池达到使用寿命的尽头。电动汽车电池有很多设计,但通常它们都共用这些组件。

 

电池包
在电池包内部,电子组件管理数十个模块的电荷和稳定性

电动汽车时代,未来的数百万废旧电池该如何处理?(附超详细图文解说)|Science新闻

为了提取这些“大海里的针”,回收人员主要依靠两种技术,即火法冶金湿法冶金。更常见的是火法冶金法,回收人员先用机械撕碎电池,然后进行焚烧,留下一堆烧焦的塑料、金属和胶水。在那时,他们可以使用多种方法提取金属,包括进一步燃烧。

美国能源部阿贡国家实验室的电池回收专家琳达·盖恩斯说:“火法冶金基本上把电池当作直接从矿山开采出来的矿石来进行处理。”相比之下,湿法冶金是将电池材料浸泡在酸性浸出液中,产生一种金属溶液。有时这两种方法会被结合使用。

两种方法都有其优点和缺点。例如,火法冶金不需要回收人员了解电池的设计或组成,甚至不需要知道它是否完全放电,就可以安全进行。但这项作业是能源密集型的。

湿法冶金可以提取不易通过燃烧获得的材料,但它可能涉及对健康构成风险的化学品。虽然研究人员正在试验一种化合物,这种化合物有望溶解某些电池金属,而使其它金属保持固体形式,从而更容易回收,但从金属溶液中回收所需的元素可能依旧很困难。例如,汤普森已经确定了一种候选溶剂,一种被称为低共熔溶剂的酸碱混合物,它能溶解除镍以外的所有物质。

 

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材料科学家达娜·汤普森开发了用于从废旧汽车电池中提取有价值的金属的溶剂

FARADAY INSTITUTION

此外,研究发现,这两种过程都会产生大量废物并排放温室气体。而且这种商业模式可能不稳定:大多数回收业务都依靠出售回收的钴来维持商业运营,但电池制造商却正试图摆脱这种相对昂贵的金属。普渡大学的材料科学家丽贝卡·西兹表示,如果发生这种情况,回收商可能只能试图出售成堆的“泥土”了。

循环再利用的“闭环”

火法冶金法将使用过的电池燃烧成渣,而湿法冶金法将它们溶解在酸中。两者的目的都是提取阴极材料。最理想的方法是直接回收,这样可以完整地回收阴极。但要真正实现回收利用,就必须在其经济成本上与购买直接开采的原材料相比具备优势。

 

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最理想的方法是直接回收,这样可以保持阴极混合物的完整。盖恩斯指出,这对电池制造商很有吸引力,因为回收的阴极不需要进行繁重的处理(尽管制造商可能仍然需要通过添加少量的锂来恢复阴极的活力)。“所以,如果你在考虑循环经济,‘直接回收’将比火法或湿法冶金更为经济。”

在直接回收中,工人首先用真空吸走电解液,撕碎电池。然后,他们将通过加热或溶剂去除胶粘剂,并使用浮选技术分离阳极和阴极材料。此时,阴极材料看上去就像爽身粉一样。

到目前为止,直接回收实验只专注于单个电池,只能产生了几十克的阴极粉末。但是,美国国家可再生能源实验室的研究人员建立的经济模型表明,如果在适当的条件下扩大规模,这项技术在未来是可行的。

然而,要实现直接回收,电池制造商、回收商和研究人员需要解决一系列的难题。一是确保电池制造商在电池上贴上标签,这样回收商就知道他们在处理哪种电池,以及阴极金属是否有价值。盖恩斯指出,考虑到电池市场的快速变化,今天生产的阴极可能无法找到未来的买家。回收商可能将面临回收一些无人问津的产品。

 

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德国的一名技术人员在进一步回收之前确保燃烧后的锂离子电池已经放电

WOLFGANG RATTAY/REUTERS

另一个挑战是如何有效地拆解电动汽车电池。尼桑的矩形Leaf电池组件需要2小时才能拆卸。而特斯拉电池的独特之处不仅在于其圆柱的外形,还有将这些单个电池连接在一起的几乎坚不可摧的聚氨酯胶粘剂。

研究人员指出,工程师们或许可以制造出能够加快电池拆卸速度的机器人,但即使进入电池内部,棘手的问题仍然存在。这是因为更多的胶水被用来固定阳极、阴极和其它部件。回收商使用的用于溶解阴极胶粘剂的一种溶剂,其毒性非常大,以至于欧盟已经对其使用进行了限制,而美国环境保护署也在去年认定它对作业的工人构成了“不合理的风险”。

安德鲁·艾博特是莱斯特大学的化学家,也是汤普森的顾问。他说:“从经济学的角度来说,你必须拆解电池。而拆解电池就必须搞定这些胶粘剂。”

为了简化这一过程,汤普森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。他以中国电动汽车制造商比亚迪去年推出的磷酸铁锂电池“刀片电池”为例。“刀片电池”的电池包去掉了模块组件,而是直接在里面存储平面的电池。这些电池可以用手轻松拆除,而不需要再处理复杂的电线和胶粘剂。

“刀片电池”是在2018年中国开始要求电动汽车制造商负责确保电池回收工作后出现的。中国现在回收的锂离子电池比世界上所有其他国家加起来的还要多,处理方法主要采用火法和湿法冶金法。

采取类似政策的国家正在面临一些棘手的问题。汤普森说,其中一个问题是,谁应该为实现回收负主要责任“这是车主的责任,因为他们购买了电动汽车,还是制造商的责任,因为他们生产并销售了电动汽车?”

与此同时,研究回收的科研人员表示,有效的电池回收需要的不仅仅是技术进步,易燃物品长途运输或跨境运输的高成本也可能会阻碍回收。因此,在正确的地点设立回收中心将可能产生巨大的影响。

我们已经没有时间可以浪费了。艾伯特说:“你一定不希望人们用10年的时间制造出一个不可能被拆解的电池。虽然这还没有发生,但人们在呼喊并担心它会发生。”

 

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