在为时已晚之前破解锂离子回收的竞赛

每天，在内华达州Sparks的特斯拉Gigafactory工厂，数百万个锂离子电池下线。这些电池是由Panasonic现场生产的，注定要与成千上万的新特斯拉电池组捆绑在一起。但并非所有电池都可以在道路上终身使用。松下将未通过资格测试的卡车运输到南半小时车程的卡森市的一家工厂。这是Redwood Materials的家，Redwood Materials是一家成立于2017年的小公司，其目标是成为反超级工厂，在那里将电池煮成原材料，将其用作新电池的核心。

雷德伍德（Redwood）是一大批新创业公司竞相解决的问题的一部分，该问题尚不存在：如何从过期的电动汽车中回收大量电池。在过去的十年中，为了满足对电动汽车不断增长的需求，全球的锂离子产能已经提高了十倍。现在，第一次生产浪潮中的车辆才刚刚开始达到使用寿命。这标志着废旧电池海啸的开始，随着越来越多的电动汽车上路，这种情况只会变得更糟。国际能源署（International Energy Agency）预测，在未来十年内，电动汽车的数量将增加800％，每辆汽车装有数千个电池单元。电动汽车革命的肮脏秘密在于，它创造了电子垃圾定时炸弹，而破解锂离子回收利用是消除这种浪费的唯一方法。

Redwood的首席执行官兼创始人J. B. Straubel比大多数人更了解这个问题。毕竟，他在创建过程中发挥了重要作用。 Straubel是联合创始人，直到去年，他还是特斯拉（Tesla）的首席技术官。特斯拉是他的公司之一，当时有可能一方面统计所有员工的人数。在他任职期间，公司从一家兜售跑车的草草创业公司成长为地球上最有价值的汽车制造商。一路走来，特斯拉也成为世界上最大的电池生产商之一。但是从Straubel的角度来看，这些电池并不是真正的问题。他说：“主要的机会是考虑将这些材料用于再利用和恢复。” “随着所有这些电池的流通，最终我们将要建立一个再制造生态系统似乎非常明显。”

停用锂离子电池的主要方法有两种。最常见的技术称为火法冶金，涉及燃烧它们以除去不需要的有机材料和塑料。这种方法只给回收器留下一小部分原始材料，通常只有来自集电器的铜和来自阴极的镍或钴。一种常见的热解方法，称为熔炼，是使用装有化石燃料的熔炉，对环境不利，并且在此过程中会损失大量的铝和锂。但这很简单，目前存在的用于处理采矿业矿石的冶炼工厂已经能够处理电池。在美国回收的一小部分锂离子电池中（仅占所有用过的电池的5％），大多数都装在熔炉中。

另一种方法称为湿法冶金。这种技术的一种常见形式称为浸出，涉及将锂离子电池浸泡在强酸中，以将金属溶解到溶液中。这样可以回收更多材料，包括锂。但是浸出有其自身的挑战。回收商必须对电池进行预处理，以去除不需要的塑料外壳，并耗尽电池上的电荷，这增加了成本和复杂性。自1990年代初第一个商用电池投放市场以来，废锂离子电池就一直被视为废物的部分原因。开采新材料（尤其是锂）通常比通过浸提回收便宜很多倍。

红木结合了火法和湿法冶金来回收这些有价值的材料。首先，穿着反射性银热服的技术人员会对转换器中的电池进行煮食，以分离金属。与传统的熔炼工艺不同，雷德伍德的热解技术没有像传统的熔炼工艺那样使用化石燃料来燃烧材料，而是利用电池中的残余能量（例如电解质中的有机物）来驱动转化过程。剩下的是金属合金，经过湿法冶金工艺过滤后可以回收单个化合物。

Straubel拒绝透露公司回收技术的细节，但他声称该技术可以回收电池镍，钴，铜，铝，石墨中95％至98％的锂，以及80％以上的锂。到电池通过Redwood的回收设施时，它已经分解成其基本成分-碳酸锂，硫酸钴和硫酸镍-准备重新整合到电池制造过程中。 Straubel说：“我们将为所有这些电池建立一个再制造生态系统。” “材料几乎可以无限地重复使用。金属原子没有固有的降解。”

锂离子回收带来的许多挑战源于以下事实，即处理锂离子的设备并非专门为煮电池而设计的。但是，处于电池回收先锋地位的人们希望建立专用的设施将改善该行业的经济状况。加拿大电池回收商Li-Cycle的共同创始人蒂姆·约翰斯顿说：“我们专注于专门为锂离子电池设计的定制工艺，因为我们开始看到产量的增加。” “从历史上看，电池被视为浪费，我们试图通过将其作为一种资源来扭转这种局面。”

Li-Cycle自称是北美最大的锂离子回收商，采取的回收方式与Redwood不同。他们的过程完全跳过了发火步骤，仅通过浸出就精炼了电池。首先，他们将电池放入一个可同时放电并切碎的大桶中。这会产生一种粒状化合物，在行业中称为“黑块”，它是由电极材料的混合物制成的。接下来，黑块穿过分阶段的化学浴以解锁各个金属。该过程几乎将所有东西都转换成可用的原材料-电池隔板的塑料变成薄片，集电器变成铜和铝箔，阳极的石墨变成碳精矿，阴极的材料镍，钴和锂之类的物质将单独回收用于新电池。

Li-Cycle自称是北美最大的锂离子回收商，并且采用与Redwood不同的回收方法。该公司的流程完全不进行熔炼，仅通过浸出就可以精炼电池。首先，他们将电池放入一个可同时放电并切碎的大桶中。接下来，细胞穿过分阶段的化学浴，以释放捕获在其中的金属。该过程几乎将所有东西都转换成可用的原材料-电池隔板的塑料变成薄片，集电器变成铜和铝箔，阳极的石墨变成碳精矿，阴极的材料镍，钴和锂等电池可单独回收用于新电池。

约翰斯顿说：“我们不会产生任何有意义的浪费。” “我们不会产生任何有意义的空气排放，我们不会产生任何废水，并且所有操作都是在低温下完成的。占地面积很小。”

可以说，Li-Cycle最重要的创新不是化学过程，而是回收设施本身的设计。 Li-Cycle采用“轮毂和轮辐”方法，在美国和加拿大的不同地点对电池进行预处理，每个工厂都采用模块化工厂，将电池变成黑色物质。辐条将惰性材料送回到中央枢纽，在中央枢纽将其精炼成可用的电池级化学品。今天，Li-Cycle在安大略省和罗切斯特市经营辐条，并刚刚获得州政府的许可，将于2022年在纽约开设首个商业枢纽。

每个辐条的处理设备都包装在运输容器中，可以放在靠近电池生产设施或市政收集站的位置，以最大程度地减少电池耗尽后必须经过的距离。该系统回避了锂离子回收最重要的障碍之一，那就是将废物简单地转移到需要的地方。这些电池被联邦政府指定为9类危险材料，这意味着它们受到严格且昂贵的运输限制，以减少旅途中着火或爆炸的危险。

熔炼和漂白是解决锂离子废物快速增长的挑战的最快方法，但它们可能不是最佳方法。他们的最终产品是电池级材料，但在准备返回电池之前，仍需要进行大量处理。例如，电池的阴极经过纳米工程处理以提高性能。因此，一些电池专家正在研究一种称为直接回收的工艺，该工艺可在不破坏其晶体纳米结构的情况下拯救阴极材料。这将大大降低重复使用该材料的成本。

2019年，能源部利用阿贡国家实验室领导其ReCell中心，该中心致力于改善锂离子回收技术。该目标的关键部分是直接回收。 ReCell仍处于初期阶段，但该中心的科学家采用了一些直接回收工艺，希望它们能证明这种方法的潜力。他们已经在实验室中使用许多这些技术成功地回收了电池材料，但是台式演示只是迈向大规模节约方法的第一步。

ReCell中心首席科学家，阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）的运输系统分析师Linda Gaines说：“该中心的目标是提出一些能够说服行业采取行动的方法。 “我们需要回答所有有关扩大规模的问题。”

直接循环利用的挑战在于，设计电池时不会考虑材料回收。取而代之的是，它们制造的时间很长，而且价格尽可能便宜。一般来说，回收根本不是事后的想法。这使得它们很难打开包装。单个电池是复杂的系统，其中几个化学成分不同的成分（有时是焊接的）以小体积混合在一起。在没有强酸或极端温度的帮助下，提取这些化合物变得极具挑战性。

目前，Gaines和她的同事们专注于弄清楚如何挽救已经存在的电池结构。不过，将来可能会制造出可回收利用的电池，但前提是这种电池具有成本效益且不会影响性能。盖恩斯说：“回收设计是一个非常重要的领域，但您根本不能牺牲性能，否则没人会想要这样做。” “最好的攻击方式并不明显，说实话，在这一领域还没有很多真正好的工作。”

Acceleron的首席技术官Carlton Cummins表示，仍然可以对电池系统的制造方式进行许多其他更改，以提高回收效率。他说，在他开始研究电动汽车的来生之后，他于2015年与他人共同创立了该公司，并“意识到除了电池以外，您可以重复使用大多数汽车。” “它不是为维修，重复使用或升级而设计的。当时的重点是廉价，快速地构建它。”结果，用于EV和固定式蓄电池组的电池往往每个电池有多个焊缝，可以连接数十个电池，因此可以将它们作为一个单元进行控制。康明斯说，这是从消费电子行业借来的一种便利技术，但它使汽车电池组的拆卸大大增加了升级或回收的难度。

Acceleron解决该问题的方法看似简单。康明斯和他的团队设计了一种电池容器，该电池容器可用于多种不同类型的电池，无需焊接即可连接它们。该公司的电池平台Circa将电池压缩在硬壳中，并使用可移动电路连接它们。这意味着，如果单个电池失效，或者电池组的所有者想要升级为更好的电池，则可以通过松开一些螺母和螺栓来更换电池。康明斯说：“如今的电池设计方式是将所有东西都焊接在一起并粘合在一起，并且假定在使用结束时就将其丢弃。” “我们必须重新发明如何使用专门设计用于重复使用和回收的电池组装电池。”

锂离子回收商仍然需要面对许多技术，政治和经济挑战，并且不能保证成功。例如，钴是大多数EV电池中最昂贵的材料，但电池制造商正在追求新的无钴化学物质。如果这种有价值的矿物质没有被出售回制造商，则回收商是否仍会发现材料回收的价值尚不确定。尽管如此，新一代电池回收商仍在押注，他们可以找到一种方法来闭合锂离子供应链上的环路，并在这样做的同时赚钱。如果是正确的话，他们可能会将黑团变成绿色革命。

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