难拆解、难回收,每年数以百万计的废弃电池,在电动汽车时代将成新问题

2021-05-29 18:00:13 作者:跪下给我唱征服   阅读:161 次  点赞:12 次  鄙视:6 次  收藏:0 次  由 lihongxu.net 收集整理
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根据智研咨询数据,2020年中国纯电动汽车销量为111.5万辆,同比增长14.8%。

随着越来越多的电动汽车进入市场,一个不得不考虑的问题开始出现——淘汰下来的电池该怎么处理?

可能由于这些年销售的电动汽车电池还没有到寿命,这个问题现在似乎还没有成为大麻烦,但是按照特斯拉8年电池质保的条件来看,未来十年左右预计有巨量淘汰下来的电动汽车电池需要处理,而这些电池如果处理不好,反而会污染环境,与电动汽车环保的初衷背道而驰。

莱斯特大学的材料科学家Dana Thompson警告说,回收电动汽车电池可能是一件危险的事情。

比如电动汽车电池如果被错误拆解,或者放错了地方,可能会引发短路、燃烧,甚至释放有毒气体。

各国都在未雨绸缪,效益问题却无法解决

如何回收处理未来每年数百万电动汽车的废弃电池?这是包括Thompson在内的研究人员面临的众多问题。

现实情况并不乐观。

目前的电动汽车电池“实际上并不是为回收而设计的,”Thompson说,他同样还是法拉第研究所的研究员,该研究所是英国的一个电池问题研究中心。

在电动汽车稀少的时候,这并不是什么大问题。但是现在这项技术正在起飞。一些汽车制造商表示,他们计划在几十年内逐步淘汰内燃机,行业分析师预测,到2030年,至少有1.45亿辆电动汽车上路,而去年只有1100万辆。

“人们开始意识到这是一个问题。”Thompson说。

各国政府都在向要求电动汽车电池可以实现某种程度的再循环:

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;

欧盟也有望在今年最终确定这方面的第一个要求;

在美国,联邦政府尚未提出回收要求,但包括美国最大的汽车市场加利福尼亚在内的几个州正在探索制定自己的规则。

材料科学家Thompson开发了从废旧汽车电池中提取有价金属的溶剂。

为了启动循环利用,各国政府和工业界也正投入资金进行一系列研究。美国能源部(DOE)已经向ReCell中心注资约1500万美元,以协调学术界、工业界和政府实验室科学家的研究,英国已经支持了研究电池回收的ReLiB项目。

“随着电动汽车产业的发展,取得进展的必要性变得越来越迫切”,Linda Gaines说,她在美国能源部的阿贡国家实验室电池回收中心从事电池回收工作。

遗憾的是,尽管从技术上来说,回收可以实现,但是从效益上来说,回收很难普及。

电动车锂电池在化学和结构上差别很大,这使得企业很难建立有效的回收系统,电池中的固件通常是用胶水粘在一起的,这又使得它们很难被分开。

这就给企业造成了一个经济障碍:电池制造商购买新材料通常比回收的电池材料成本要低。

电池回收过程中仍然无法避免污染

电动汽车电池的构造有点像套娃,通常,一个核心包含几个模块,每个模块由许多较小的单元格构成(见下图)。

在每个电池中,锂原子穿过石墨阳极和金属氧化物阴极之间的电解液,电池类型通常是由阴极中的金属定义的,主要有三种类型:镍钴铝、铁磷酸盐和镍锰钴。

现在,回收商主要针对阴极中的金属,比如钴和镍,这些金属的价格很高(锂和石墨太便宜,回收利用不经济),但是由于数量少,回收这些金属就像大海捞针。

目前的回收手段主要有两种,即火法冶金和湿法冶金。

火法冶金比较常见。回收商首先机械地将电池撕碎,然后烧毁,留下大量烧焦的塑料、金属和胶水。到了这一步,他们可以使用几种方法来提取金属,包括进一步燃烧。“这实质上是把电池当作直接从矿井里采出来的矿石来对待,”Gaines说。

相比之下,湿法冶金则需要将电池材料浸泡在酸液中,洗出含有金属的液体,有时火法冶金和湿法冶金这两种方法会结合在一起使用。

这两种方法都各优点和缺点。

火法冶金,不需要回收者知道电池的设计或成分,甚至不需要知道电池是否完全放电,但它消耗能源;

湿法冶金可以提取不容易通过燃烧获得的材料,但它可能涉及对健康构成危险的化学品,为此研究人员正在试验一些化合物,这些化合物可以解某些电池金属,让其他金属仍以固态形式存在,这使得它们更容易回收。

例如,Thompson已经确定了一种候选溶剂,一种叫做深度低共熔溶剂的酸碱混合物,可以溶解除镍以外的所有物质。

另外,这两个过程都会产生大量的废物并排放温室气体。此外,这种商业模式也可能岌岌可危:大多数业务依靠销售回收钴来维持运营,但现在的电池制造商正试图摆脱这种相对昂贵的金属。

普渡大学的材料科学家Rebecca Ciez说,如果这种情况发生,回收商可能会试图出售成堆的“垃圾”。

什么才是理想的回收?

火法冶金把废电池烧成熔渣,而湿法冶金则把它们溶解在酸中,两者的目的都是提取阴极材料。理想的做法是直接回收,这样可以完好地回收阴极。

Gaines指出,这对电池制造商很有吸引力,因为再生阴极不涉及大量处理。“因此,如果你在考虑循环经济,(直接回收)是一个比火法冶金和湿法冶金更简洁的过程。”

在直接回收过程中,工人们首先要对电解液进行真空处理,然后将电池电池粉碎,之后,他们再将用加热或溶剂去除粘合剂,并使用浮选技术分离阳极和阴极材料。

到目前为止,直接循环实验只在单个电池上实现了,只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。

不过,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问题。

其中之一是确保制造商在电池上贴上标签,以便回收商了解他们正在处理的电池种类,以及正极金属是否有价值。

Gaines指出,鉴于电池市场的快速变化,目前生产的阴极可能无法找到未来的买家,回收者将“回收一只恐龙”,没有人会想要这种产品。”

德国的一名技术人员正在确保烧毁的锂离子电池在进一步回收前已经放电完毕

可拆解的电池也很关键

回收的另一个挑战是如何有效地破解电动汽车电池。尼桑的Leaf电池组件拆卸需要2小时,特斯拉的电池则是独一无二的,不仅因为它们的圆柱形状,还因为它们由几乎坚不可摧的聚氨酯胶水粘合在一起。

研究人员指出,工程师们也许能够制造出能够加速电池分解的机器人,但是即使你进入电池,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、阴极和其他部件。

回收商用来溶解阴极粘合剂的一种溶剂毒性极大,欧盟(European Union)已对其使用实行了限制,美国环境保护局(U.S. Environmental Protection Agency)去年也认定,这种溶剂对工人构成了“不合理的风险”。

莱斯特大学的化学家和 Thompson 的顾问 Andrew Abbott 说: “就经济学而言,你必须拆解... ...如果你想拆解,那么你必须摆脱这些胶水。”

为了简化这一过程,Thompson和其他研究人员正在敦促电动汽车和电池制造商开始在设计产品时就考虑到回收利用。

Andrew Abbott说,理想的电池应该是一个圣诞拉炮——这是一个英国的节日礼物,当收件人拉开两端,露出糖果或信息时,包装就会自动弹开。

他以中国电动汽车制造商比亚迪去年推出的Blade电池(Blade Battery)为例。它的包去掉了模块组件,而是直接在内部存放电池单元,这些单元可以很容易地用手去除,而不需要用电线和胶水。

2018年,中国开始要求电动汽车制造商负责确保电池的回收利用,于是Blade电池应运而生。

中国现在回收的锂离子电池比世界其他国家加起来还要多,大部分使用的是火法和湿法冶金方法。

采取类似政策的国家面临着一些棘手的问题。Thompson说,其中一个问题是,谁应该承担促成回收利用的主要责任。“这是我的责任,因为我买了(一辆电动汽车),还是制造商的责任,因为他们制造了电动汽车?”

在欧盟,一个明确的答案可能会在今年晚些时候出现,届时欧盟官员将公布欧洲大陆的第一条规则。明年,加利福尼亚州成立的一个专家小组预计将对美国的政策产生重大影响。

与此同时,回收利用研究人员表示,有效的电池回收不仅仅需要技术进步。长途运输或跨境运输可燃物品的高成本也可能会阻碍回收。

因此,在合适的地方设立回收中心可能会产生“巨大的影响”,Harper说。“但是,在系统运作和将所有这些不同的研究结合起来方面,将会有一个真正的挑战。”

没有时间可以浪费了,Abbott说。他说:“你肯定不想看的是10年生产的电池完全无法分解,目前还没有发生这种情况,但人们在大声疾呼,担心这种情况会发生。”

作者 | 大数据文摘;编辑 | 放开那芒果

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