回收汽車的鋰電池比你想象的要復(fù)雜得多

鋰電池在電子設(shè)備中已經(jīng)變得非常流行，而對(duì)這些電池的重量和尺寸的強(qiáng)調(diào)意味著它們中的原材料數(shù)量并不太大。但是，鋰電池的其他日益增長的用途--電動(dòng)汽車--絕對(duì)不是這樣。這些鋰電池重達(dá)數(shù)百公斤，含有大量的原材料，其中一些可能很有價(jià)值。

然而，由于汽車電池市場的相對(duì)年輕，一個(gè)有組織的回收行業(yè)才剛剛發(fā)展起來，在循環(huán)再利用變得既廣泛又經(jīng)濟(jì)之前，它面臨著重大的技術(shù)障礙。在今天的“自然”雜志上，一組研究人員研究了可能的回收方法，并考慮如何從電動(dòng)汽車電池中獲得最大的價(jià)值，因?yàn)樗鼈兊男阅芤呀?jīng)不足以運(yùn)行一輛汽車。

分析的作者們首先澄清了一件事：鋰離子電池的大部分成本并不在原材料上。相反，所需的成本是將這些原材料轉(zhuǎn)化為可以在電池中發(fā)揮作用的東西，然后將它們轉(zhuǎn)化為一種將耐久性、性能和安全性結(jié)合在一起的結(jié)構(gòu)。因此，使用性能較差的電池比拆開電池來獲取材料更有價(jià)值。

鋰電池的主要問題是隨著時(shí)間的推移而喪失容量。最終，這將導(dǎo)致任何依賴他們的車輛的射程縮小。但是，即使電池的容量持續(xù)下降，即使這種功能不足以滿足電動(dòng)汽車的需要，這些電池的使用時(shí)間也可能會(huì)延長很多年。與汽車不同的是，電網(wǎng)規(guī)模的儲(chǔ)電量對(duì)電池占用的空間大小和重量都不敏感。因此，一個(gè)不再適合汽車的電池仍然可以在電網(wǎng)上工作得很好。

因此，作者強(qiáng)烈認(rèn)為，再利用應(yīng)該比回收優(yōu)先得多。雖然電網(wǎng)規(guī)模的存儲(chǔ)相對(duì)較少，但它正在增長，美國一些州已經(jīng)要求它們的公用事業(yè)公司在未來幾年內(nèi)提供網(wǎng)格存儲(chǔ)。考慮到鋰電池驅(qū)動(dòng)的汽車是相對(duì)較新的發(fā)展，而且大多數(shù)電池在幾年內(nèi)都不會(huì)達(dá)到使用壽命的極限，所以這個(gè)時(shí)間安排得很好。

盡管如此，這只是暫時(shí)的情況。電池最終將達(dá)到這樣的程度：它們甚至對(duì)電網(wǎng)存儲(chǔ)毫無意義。電動(dòng)汽車的預(yù)期增長意味著，在未來幾十年里，從汽車中取出的電池?cái)?shù)量將大幅增加。甚至在很久以前，還沒有很多鋰電池處于生命末期，作者們指出，一些鋰電池已經(jīng)進(jìn)入金屬回收設(shè)施，在那里不適當(dāng)?shù)靥幚硭鼈兙鸵l(fā)了火災(zāi)。

因此，雖然這可能不是一個(gè)緊迫的需求，但開發(fā)處理大量鋰電池所需的技術(shù)最終將是至關(guān)重要的。

鉛酸電池的回收系統(tǒng)似乎表明，處理鋰電池不應(yīng)該是一個(gè)問題。但鉛酸電池有許多簡化，根本不適用于電動(dòng)汽車電池。首先，它們都是以有限的格式制造的；通常情況下，如果需要更大的電池，制造商只需將一些標(biāo)準(zhǔn)大小的鉛酸電池連接起來。

這與鋰電池的情況完全不同。作者強(qiáng)調(diào)特斯拉S型，寶馬i3和日產(chǎn)葉的動(dòng)力包，其中差異超過200公斤，并有明顯不同的形狀。電池中的單個(gè)電池也有不同的大小和形狀，陰極的化學(xué)成分也是不同的。所有這些都排除了處理電動(dòng)汽車電池的單一過程或自動(dòng)化系統(tǒng)。

盡管如此，也有很大的潛力來限制收集所需的原材料的影響。每公噸鋰通常需要超過250噸礦石或750噸富鋰鹵水以獲得。相反，通過回收大約250個(gè)汽車電池可以獲得等量的鋰。在未來幾十年里，我們期望看到的快速增長，但隨著電動(dòng)汽車市場的成熟，在未來幾十年里，這無疑是無法持續(xù)的。

然而，目前一些電池化學(xué)物質(zhì)依賴于鈷，其供應(yīng)有限且不穩(wěn)定。這可能意味著回收的經(jīng)濟(jì)將由一個(gè)相對(duì)較小的貢獻(xiàn)電池的最后質(zhì)量的東西驅(qū)動(dòng)。

審查指出，電池可能會(huì)到達(dá)含有各種電量的回收中心，這可能會(huì)對(duì)人和設(shè)備造成危害。在電網(wǎng)上放上半滿的電池可以產(chǎn)生足夠的電力為一個(gè)家庭供電兩個(gè)小時(shí)，因此這實(shí)際上可以幫助抵消部分回收成本。另外，電力可以排放到水中，產(chǎn)生氫和氧。

一旦放電，問題是是簡單地粉碎電池或拆卸它。前者具有較低的成本和時(shí)間效率，而后者則保留了更多的原生原料。

粉碎有可能使電池中的任何剩余電荷短路，因?yàn)殡姵刂锌赡芎幸兹茧娊赓|(zhì)。因此，它最好是在水中或惰性氣氛下進(jìn)行(后者目前很受歡迎)。雖然粗分離是可能的，但與碎電池最簡單的做法是把它放在爐子里進(jìn)行所謂的“高溫冶金金屬回收”。這產(chǎn)生了一種金屬合金的一些主要組成部分的電池，以及一個(gè)渣，其中含有鋁和鋰。像電解液和石墨電極這樣的東西只會(huì)被燒掉，降低了整個(gè)過程的能源成本。

這仍然使金屬的化學(xué)凈化和重組成為一種適合電池使用的化學(xué)物質(zhì)。但簡單性有助于提高整體成本。

拆卸在光譜的另一端。由于電池使用的結(jié)構(gòu)不同，而且工業(yè)化社會(huì)的勞動(dòng)力成本較低，電池組裝仍然是一項(xiàng)很大程度上是手工的工作；拆卸將與之相反。當(dāng)部件被移除時(shí)，磁選、過濾器和其他設(shè)備的結(jié)合將有助于產(chǎn)生相對(duì)純凈的單個(gè)組件流。然而，這并不是一個(gè)完美的解決方案。有些東西，比如電極中的石墨，很難與它們連接的金屬電流收集器分離。有些材料也可能有毒，需要采取廣泛的預(yù)防措施以防止接觸。

優(yōu)點(diǎn)是，你最終得到的是相對(duì)純凈的材料，這些材料已經(jīng)以正確的化學(xué)形式在電池中使用。然而，這一過程中的一些污染物在材料重新組合成電池時(shí)會(huì)產(chǎn)生問題，這是有風(fēng)險(xiǎn)的?；蛘撸还苁鞘裁磫栴}導(dǎo)致電池的容量隨著時(shí)間的推移而退化，可能會(huì)迫使大量的材料再加工，然后才能使用。

在任何情況下，電池組件的廣泛重用肯定是有潛力的，即使在我們能夠這樣做之前還有一些重大的挑戰(zhàn)需要解決。幸運(yùn)的是，這是一個(gè)罕見的情況，當(dāng)我們有大量的準(zhǔn)備時(shí)間之前，大量的無電電池開始涌入回收中心。這意味著我們有時(shí)間讓化學(xué)家和工藝工程師找到解決這些最大挑戰(zhàn)的方法。