背景介紹

即使受到新冠肺炎疫情和芯片短缺的影響，基于鋰離子電池（LIB）的電動(dòng)汽車全球銷量仍超過(guò)550萬(wàn)輛，占全球汽車銷量的10%以上。預(yù)計(jì)LIBs的全球市場(chǎng)將以14.6%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，到2026年將達(dá)到近920億美元的規(guī)模。因此，未來(lái)十年，由于天然供應(yīng)有限、冶金產(chǎn)能低下以及俄烏戰(zhàn)爭(zhēng)，鋰（Li）、鈷（Co）和鎳（Ni）的供應(yīng)面臨巨大壓力。現(xiàn)在的重點(diǎn)是考慮現(xiàn)有制造商如何以更低的成本提高產(chǎn)量，以及如何在即將到來(lái)的繁榮中有效回收使用壽命終止的鋰離子電池。

可持續(xù)發(fā)展要求報(bào)廢的鋰離子電池不應(yīng)處于其生命周期的末尾?；厥諏?duì)于提高鋰離子電池的可持續(xù)性、緩解對(duì)原材料可用性和全球供應(yīng)鏈危機(jī)的擔(dān)憂，以及由此產(chǎn)生的價(jià)格波動(dòng)至關(guān)重要。預(yù)計(jì)到2030年，全球鋰離子電池回收市場(chǎng)將達(dá)到181億美元，以8.2%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。在電動(dòng)汽車的制造過(guò)程中，電池生產(chǎn)過(guò)程占二氧化碳排放總量的40%以上，尤其是正極材料的生產(chǎn)。使用廢鋰離子電池中的回收材料可以將材料生產(chǎn)中的總能源需求減少48%。最近，火法冶金、濕法冶金和直接再生工藝，加上拆卸、篩選、預(yù)處理、分離、純化和燃燒，是目前和擬議但尚未證明的商業(yè)規(guī)模LIB回收工藝路線的主要部分。

具體而言，火法冶金回收僅覆蓋價(jià)值低得多的金屬，并且由于高能耗、高運(yùn)營(yíng)成本和有害煙霧的增加而被認(rèn)為是不利的。傳統(tǒng)的濕法冶金回收通常需要添加不同的添加劑、堿和其他化學(xué)物質(zhì)的復(fù)雜過(guò)程來(lái)獲得高純度的原料，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的廢水，導(dǎo)致更惡劣的環(huán)境影響。與其他回收方法相比，直接正極再生在恢復(fù)性能、減少碳排放和緩解新材料短缺方面具有巨大價(jià)值。盡管直接正極回收仍處于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，但預(yù)期的生產(chǎn)線和設(shè)備可以使用正極制造商現(xiàn)有的生產(chǎn)線，因此可以輕松實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化，回收效率高。

成果簡(jiǎn)介

近日，加拿大滑鐵盧大學(xué)陳忠偉院士團(tuán)隊(duì)從商業(yè)制造的角度概述了廢正極材料的直接再生方法，并將直接再生工藝與典型的正極生產(chǎn)工藝進(jìn)行了比較，以突出技術(shù)挑戰(zhàn)、現(xiàn)狀、供應(yīng)鏈、碳足跡，以及直接回收的可能解決方案。從而提出了重建破產(chǎn)的正極制造商進(jìn)行正極再生的想法，以避免重復(fù)建設(shè)并降低成本。此外，還考慮了直接正極再生方法的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和政治影響，從中討論了直接回收是否有利可圖和可持續(xù)，是否可以形成從廢鋰離子電池到全新鋰離子電池的閉環(huán)。

圖文導(dǎo)讀

【圖1】鋰離子電池回收的必要性。(a) 根據(jù)比亞迪全球鋰離子電池?cái)?shù)據(jù)庫(kù)和鋰離子電池有限的五年服務(wù)期，預(yù)計(jì)未來(lái)七年鋰離子電池的報(bào)廢容量; (b) LIBs不同成分的碳足跡和能源消耗比率。

【圖2】不同正極的比較。正極材料具有不同的晶體結(jié)構(gòu)和電池化學(xué)成分，在回收過(guò)程中應(yīng)妥善處理。1月份最新的LIB回收價(jià)格來(lái)自當(dāng)?shù)鼗厥丈?，具有巨大的利?rùn)潛力。

【圖3】直接正極再生工藝的未來(lái)工業(yè)化回收路線。首先，鋰離子電池的設(shè)計(jì)需要滿足電池回收的需要。建議使用自動(dòng)拆卸和材料篩選來(lái)降低回收成本并提供更純的原料。以下工業(yè)設(shè)備與典型的正極生產(chǎn)工藝相似。

【圖4】鋰離子電池的老化機(jī)制。正極材料的性能退化主要是由過(guò)渡金屬溶解、結(jié)構(gòu)坍塌和鋰離子損失引起的。

【圖5】不同直接正極回收方法的流程圖。目前，工業(yè)化的直接正極回收工藝主要有兩種，包括再鋰化到退火工藝和濕法冶金到補(bǔ)充到退火工藝。再鋰化工藝可分為高溫再鋰化和水熱再鋰化。

總結(jié)和展望

現(xiàn)有研究表明，LIB回收是防止環(huán)境污染、維持未來(lái)供應(yīng)鏈和促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的有力候選者。LIB技術(shù)正在經(jīng)歷一次飛躍式的發(fā)展，尤其是在正極材料方面。原則上，所有電池組件都可以回收，具有與活性材料相似的晶體形態(tài)的再生正極材料可以重新結(jié)合到一個(gè)新的正極電極中，溫和加工條件下的直接正極回收方法是一種潛在的工藝，需要開(kāi)發(fā)。此外，物理或化學(xué)分離產(chǎn)生的有機(jī)和金屬雜質(zhì)（如PVDF粘合劑和Al顆粒）的污染問(wèn)題仍需解決。需要高度純化的回收材料，可以通過(guò)使用機(jī)器人拆卸和優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)來(lái)改進(jìn)。直接正極回收方法也可能難以適應(yīng)方法材料的變化，尤其是在正極配方在未來(lái)幾十年快速更新的情況下。為了獲得最大效率，不同的正極材料需要相應(yīng)的特定再生工藝才能獲得高質(zhì)量的活性材料。設(shè)計(jì)一種方法在一條路線上再生各種正極材料而不分離是非?？扇〉摹?br />
隨著政府對(duì)電動(dòng)汽車的補(bǔ)貼和稅收激勵(lì)的大幅削減，電動(dòng)汽車行業(yè)將以此為借口來(lái)提高性能、安全性，以及他們汽車的質(zhì)量。近90%無(wú)法從容應(yīng)對(duì)這一變化的鋰離子電池制造商將在未來(lái)十年被市場(chǎng)淘汰，而企業(yè)轉(zhuǎn)型為回收制造商是即將大量退役動(dòng)力電池的突破，也是企業(yè)生存的機(jī)會(huì)。特別是對(duì)于正極制造商來(lái)說(shuō)，類似的再生過(guò)程加上環(huán)境費(fèi)補(bǔ)貼，將有助于生產(chǎn)線更加靈活，并降低運(yùn)營(yíng)成本。北美和歐洲電池制造商的供應(yīng)幾乎完全依賴于亞洲的正極材料交付，相鄰的直接正極回收制造商可以進(jìn)一步減少運(yùn)輸成本。此外，直接正極回收是可持續(xù)電池價(jià)值鏈的重要組成部分，可以創(chuàng)造循環(huán)和“閉環(huán)”，以抵消原材料短缺，最大限度地減少對(duì)環(huán)境的影響，并獲得更高的利潤(rùn)。正如我們現(xiàn)在所看到的，隨著技術(shù)的發(fā)展、原材料價(jià)格的上漲以及政府政策的引導(dǎo)，許多投資者都涌向電池回收。為了應(yīng)對(duì)能源危機(jī)和氣候變化，直接正極回收應(yīng)該是廢鋰離子電池的命運(yùn)，盡管在促進(jìn)大規(guī)模工業(yè)化方面仍存在一些技術(shù)和經(jīng)濟(jì)困難。

審核編輯：劉清