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未来电动车挥之不去的阴影,锂电池该如何处理?
地球可视化研究所 | 来源:地球可视化研究所 浏览次数:409 发布时间:2022年1月7日
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时光倒回10年前,在广州郊区某处废车场,一台巨大的钩机车缓缓升起一个巨大的铁块,它的下面是一辆已经跑了三十万公里的大众桑塔纳。伴随一声巨大的响声,铁块落下,桑塔纳被完全压扁,结束了它的一生。

时光倒回10年前,在广州郊区某处废车场,一台巨大的钩机车缓缓升起一个巨大的铁块,它的下面是一辆已经跑了三十万公里的大众桑塔纳。伴随一声巨大的响声,铁块落下,桑塔纳被完全压扁,结束了它的一生。


但是如果正常保养和正常驾驶,这辆大众桑塔纳,还是可以健健康康在马路上跑几年几十万公里的。但是在中国,因为种种机动车政策,它达不到要求,所以只能报废。

汽车诞生100多年,每一辆出厂的汽车几乎都是各种金属加沙发。想要结束它们的生命,只需要狠狠压扁它们变回了原来金属的样子。不过未来的汽车可能无需执行这种残酷的死刑,因为它们的内核是电池,不能像汽车那边随便压扁处理即可。随着全世界电动车高速增长,一个巨大的挑战迫在眉睫:所有旧锂电池如何处理?

电动汽车安静地嗡嗡声逐渐取代内燃机的轰鸣的声音和排出有毒烟雾,我们熟悉的世界将发生一些变化。加油站的强烈气味将消失在无味的充电站中,汽车就像我们的手机一样,可以根据需要重新给电池充电。与此同时,遍布地平线的燃气发电站可能会被改装成容纳大量电池,有朝一日可以用可再生能源为整个城市供电。

这个电气化的未来比你想象的要近得多。通用汽车今年早些时候宣布,它计划到 2035 年停止销售汽油动力汽车。奥迪的目标是到2033年停止生产它们,许多其他主要汽车公司也纷纷效仿。事实上,据报道,到2040年,全球三分之二的乘用新车销量将是电动的。由于电池存储技术的进步,世界各地的电网规模系统正在迅速增长。

虽然这听起来像是实现可持续电力和公路旅行的理想途径,但存在一个大问题。目前,锂(Li)离子电池通常用于电动汽车和用于存储可再生能源的大型电池,而锂电池难以回收利用。

正如预计的那样,随着对电动汽车的需求不断增加,回收更多电动汽车的动力将在电池和汽车行业中迅速蔓延

一个原因是,最广泛使用的回收更传统电池(如铅酸电池)的方法不适用于锂电池。后者通常更大、更重、更复杂,如果拆开错误甚至会很危险。

在普通电池回收厂中,电池部件被粉碎成粉末,然后将粉末熔化(火法冶金)或溶解在酸中(湿法冶金)。但是锂电池由许多不同的部件组成,如果不小心拆卸,它们可能会爆炸。即使锂电池以这种方式分解,产品也不容易重复使用。

莱斯特大学物理化学家安德鲁·阿博特 (Andrew Abbott) 说:“目前简单地切碎所有东西并试图纯化复杂混合物的方法会导致生产成本低、产品价值低。” 因此,回收它们比开采更多锂以制造新锂的成本更高。此外,由于大规模、廉价的锂电池回收方法落后,全球只有约 5%的锂电池被回收,这意味着大多数只是浪费。

但随着对电动汽车的需求增加,正如预计的那样,回收更多电动汽车的动力将在电池和汽车行业中迅速蔓延。

目前锂电池回收的缺点并不是它们造成环境压力的唯一原因。开采锂电池所需的各种金属需要大量资源。开采一吨锂需要500,000 加仑(2,273,000 升)的水。在智利的阿塔卡马盐滩,锂矿开采与国家保护区的植被减少、白天温度升高和干旱状况加剧有关。因此,即使电动汽车在其整个生命周期内可能有助于减少二氧化碳 (CO2) 排放,但为其提供动力的电池在其生命周期之初会产生大量的环境足迹。

然而,如果能更有效地回收使用大约10年左右后将耗尽的数百万个锂电池,它将有助于抵消所有能量消耗。几个实验室一直致力于改进更有效的回收方法,以便最终以标准化、环保的方式回收锂电池,以满足飙升的需求。

“我们必须想办法让它进入我们所说的循环生命周期,因为锂、钴和镍需要大量电力和大量努力才能开采和提炼并制成电池。我们再也不能将电池视为一次性电池,”加州大学圣地亚哥分校能源技术教授 Shirley Meng 说。

电池单元具有金属阴极,或正电极,所述电化学反应期间收集电子,由锂和元素,通常包括钴,镍,锰和铁的一些混合使用。它还具有阳极,或将电子释放到外部电路的电极,由石墨、隔膜和某种电解质制成,电解质是在阴极和阳极之间传输电子的介质。从阳极移动到阴极的锂离子形成电流。阴极中的金属是电池中最有价值的部分,化学家在拆解锂电池时重点关注的就是这些部分的保护和翻新。

孟说,把锂电池想象成一个有很多层的书架,锂离子迅速穿过每个架子,每次都循环回到最上面的架子——这个过程叫做嵌入。年复一年,书架自然开始倒塌塌陷。因此,当像孟这样的化学家拆解锂电池时,他们看到的是结构和材料的退化。

改善锂电池回收并最终使其部件可重复使用,将为现有的锂电池重新注入价值。这就是为什么科学家们提倡孟描述的直接回收过程——因为它可以让锂电池最宝贵的部分,如正极和负极,获得第二次生命。这可以显着抵消与制造它们相关的能源、浪费和成本。

但目前拆卸锂电池主要是在实验室环境中手工完成,如果直接回收要与更传统的回收方法竞争,就需要改变这种方式。“在未来,拆卸方面需要更多的技术,”雅培说。“如果电池是用机器人组装的,那么它需要以同样的方式拆卸也是合乎逻辑的。”

根据雅培团队的研究,这种超声波回收方法在同一时期内可以处理比更传统的湿法冶金方法多100 倍的材料。他说,用原始材料制造新电池的成本还不到一半。

Abbott 认为,该过程可以轻松应用于规模化,并用于更大的基于电网的电池,因为它们通常具有相同的电池单元结构,只是包含更多的电池单元。然而,该团队目前仅将其应用于生产废料,零件更容易从中分离,因为它们已经没有外壳。不过,该团队的机器人拆卸测试正在加速进行。“我们有一个演示装置,目前可以在整个电极上工作,我们希望在接下来的 18 个月内能够展示在生产设施中工作的自动化过程,”雅培说。

一些科学家主张放弃锂电池,转而采用可以以更环保的方式生产和分解的锂电池。德克萨斯 A&M 大学化学工程教授 Jodie Lutkenhaus 一直在研究一种由有机物质制成的电池,可以根据指令降解。

“由于相关的能源和劳动力成本,今天的许多电池都没有回收利用,”Lutkenhaus 说。“根据指令降解的电池可能会简化或降低回收的障碍。最终,这些降解产物可以重新组成新电池,从而关闭材料生命周期循环。”

考虑到即使将锂电池拆解并翻新零件,仍有一些零件无法保存并成为废物,这是一个合理的论点。像Lutkenhaus 团队正在研究的可降解的电池可能是一种更可持续的电源。

有机自由基电池 (ORB)自 2000 年代以来一直存在,并在合成以储存和释放电子的有机材料的帮助下发挥作用。Lutkenhause 解释说:“有机自由基电池有两种 [材料],它们都充当电极,它们协同工作以储存和释放电子或能量。”

该团队使用酸将他们的 ORB 分解成氨基酸和其他副产品,但是,条件需要恰到好处才能使部件正确降解。“最终我们发现酸在高温下起作用,”Lutkenhause 说。


不过,这种可降解电池面临着许多挑战。制造它所需的材料非常昂贵,而且它还无法提供电动汽车和电网等高需求应用所需的电力。但也许像 Lutkenhause 面临的最大挑战是与已经成熟的锂电池竞争。

“我们真的鼓励所有电池制造商对所有电池进行编码,以便通过机器人人工智能技术,我们可以轻松地对电池进行分类,”孟说。“整个领域都需要相互合作才能实现这一目标。”

锂电池用于为许多不同的设备供电,从笔记本电脑到汽车再到电网,其化学成分因用途而异,有时差异很大。这应该反映在它们的回收方式上。科学家表示,电池回收厂必须将各种锂电池分成不同的流程,类似于回收时对不同类型的塑料进行分类,以使该过程最有效。

尽管他们面临着一场艰苦的战斗,但更可持续的电池正在缓慢但肯定地出现。“我们已经看到一些设计进入市场,使组装和拆卸更容易,这很可能成为未来电池开发的一个重要话题,”雅培说。

在生产方面,电池和汽车制造商正在努力减少制造锂电池所需的材料,以帮助减少采矿期间的能源消耗以及每个电池在使用寿命结束时产生的废物。

电动汽车制造商也开始以多种不同的方式重复使用和重新利用自己的电池。例如,日产正在翻新旧的 Leaf 汽车电池,并将它们放入自动引导车辆,将零件运送到其工厂。

电动汽车市场需求的稳步增长已经让汽车行业的公司花费数十亿美元来提高锂电池的可持续性。然而,中国目前是迄今为止最大的锂电池生产国,随后在回收利用方面遥遥领先。

广泛采用标准化方法回收锂电池,包括对不同类型的流进行分类,将使它们更近一步。同时,利用人工智能技术翻新阴极等最有用的部件,可以帮助锂电池组件供应量较少的国家不必过分依赖中国。

开发可能与锂电池相媲美的新电池也可能会通过创造一些良性竞争来撼动该行业。“我确实认为,如果我们使电池存储的产品组合多样化,特别是电网存储的产品组合,它会让世界变得更好,”孟说。

一种更简单、更安全、制造成本更低、寿命结束时更容易分离的电池的出现是当前电动汽车可持续性问题的最终答案。但在这样的电池出现之前,规范锂电池回收是朝着正确方向迈出的重要一步。

大约在 2025 年,当数以百万计的电动汽车电池达到其初始生命周期的终点时,简化地回收过程对世界各地的经济体将更具吸引力。因此,当电动汽车成为主要的交通工具时,它们的电池很有可能会为第二次生命做准备。 

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