论文 | 电池梯次利用不宜过久，应理性缩短回收周期

自 2010 年以来，电动汽车市场飞速增长，对锂离子电池的需求也迅速扩大，预计到 2025 年将翻一番，到 2030 年将翻两番。相应地，对锂、钴等原材料的需求扩张可能会导致资源的供给不足。另外，根据预测，2015 年至 2040 年间可能累计产生 2100 万个报废旧锂电池包，对环境也会造成巨大的挑战。

「如何处理所有这些报废的电动汽车电池将是一个巨大的问题。」康纳尔大学能源系统工程教授 Fengqi You 说。要想缓解供应链压力，保护环境，实现行业可持续发展，就需要知道如何科学高效地处理废旧锂电池。

目前主要的处理方法有两种：

1. 梯次利用：从电动汽车上退役的动力电池，在电池状态良好的情况下，作为储能系统在发电站、电网等相关领域再利用，发挥剩余价值。然而，根据现有的材料流分析，与汽车使用后直接回收相比，锂离子电池的二次使用会延迟贵金属的再循环，鉴于其现有的供应风险，这些金属的供应链可能更容易受到干扰。

2. 拆解回收：包括湿法冶金、火法冶金和直接阴极回收。前两种方法用多种化工程序对金属氧化物进行萃取，提炼原材料，特别是对镍钴锰、铜、铝、锂等电池主要元素的回收。然而，在工业中重新引入再生材料存在担忧，问题在于再生材料能否在成本、产量和性能方面与商业控制材料竞争。

（锂电池生命周期的系统边界与梯次利用和三种拆解回收方案，包括湿法冶金、火法冶金和直接阴极回收。）

在最新的论文中，来自康奈尔大学的研究团队从经济和能源的角度出发，分析了锂电池的全生命周期，评估了锂电池制造和回收中用到的材料和技术，认为直接正极回收比梯次利用更有环境效益，并且使用少量的铝或硅阳极等替代材料的电池设计可以实现更可持续的火法冶金回收；另外，来自美国先进电池联盟 (USABC) 和电池制造商 A123 Systems 的一个联合研究团队开发了一种新的从锂电池的阴极中回收材料用于制造新电池的回收工艺，所回收的材料性能与商业材料相当。

梯次利用和回收的引入将减少环境影响

从电池生命周期的一开始，也就是当它的原材料在地球上开采时，经济学就决定了如何制造电池。「现在锂离子电池的设计目的是为了性能，而不是为了回收或二次使用，」 You 说，并指出电动汽车电池的使用寿命通常为 5 到 12 年。但是，「目前关于改进电池设计以回收或再利用的环境维度的讨论很少。」

例如，电池材料中的钴在开采时会消耗大量能源并对环境造成破坏，用镍代替钴可以缓解这一问题，但大多数生命周期场景都表明存在经济的权衡。该研究的合著者、康纳尔大学工程学院院长 Lynden Archer 进一步解释：「电池阴极中存在的钴，即使相对少量，也会导致其他成分的氧化环境少得多，从而延长电池的使用寿命，并增加二次使用和材料回收的可能。」

（论文链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.abi7633）

在11 月 5 日以「Second life and recycling: Energy and environmental sustainability perspectives for high-performance lithium-ion batteries」为题发表《Science Advances》上的研究中，作者详细介绍了以碳足迹和累积能量需求（CED）为指标，包括电池材料生产与组装、模组配件生产组装、电池包配件生产与组装、电动汽车使用阶段、梯次利用、回收、运输的锂电池全生命周期分析。

【( A ) 不同场景的七类锂电池的生命周期碳足迹。( B )细分。不同颜色表示锂电池生命周期中的不同阶段。Hydro、Direct、Pyro对应湿法冶金、直接阴极和火法冶金回收。】

研究结果显示，将梯次利用和回收引入电池的生命周期可减少碳足迹 8% 至 17%，减少 CED 2% 至 6%，具体取决于电池化学成分和回收方法。并且，随着可再生能源在电网中所占份额的增加，梯次利用电池的碳足迹将减少大约四分之一。

此外，研究还发现与电池技术相比，回收方法和使用场景对锂电池的能源和环境可持续性的影响更大。其中， 直接阴极回收是锂电池回收中最环保的技术，而使用更少的铝或使用负极替代材料（如硅）的电池设计可以实现更可持续的火法冶金回收。

诚然，废旧锂电池可以在梯次利用之后再进行拆解回收。 但是，梯次利用占生命周期环境影响的比重较大，并且需要额外的资源来重新利用，从而导致锂离子电池的梯次利用应用可能会阻碍锂离子电池回收的环境效益。另一方面，梯次利用会使贵金属的回收和再循环往后再延迟很多年，导致供应风险增加。因此，需要在两者之间进行权衡。

今天的大多数回收设施都难以分解高度强化的汽车电池并回收其中的原材料。该研究的合著者、博士生 Yanqiu Tao 表示，政策制定者应该考虑如何激励回收技术，优化电池的可持续性。「在这项研究中，我们将常用的石墨作为负极活性材料，这种材料难以回收利用，燃烧时会排放二氧化碳。 如果政策制定者能够促进石墨分离或新兴的回收方法，就会减少对环境的影响。」

新技术使回收材料有利可图

目前，很少有新电池是使用从旧电池回收的材料制造的，旧电池往往会被扔进垃圾填埋场，造成环境污染和资源浪费。

在 10 月 16 日以“Recycled cathode materials enabled superior performance for lithium-ion batteries“为题发表在《Joule》上的研究中，研究人员开发了一种回收工艺，该工艺结合了湿法冶金和直接回收技术的优势，用回收的材料制造的新电池比用新开采的金属制成的电池更高效。

（论文链接：https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.09.005）

该技术从对电池放电开始，当被切碎的电池通过筛子送出，去除了外壳、电线、塑料以及其他部分。所得混合物保持正极材料、其他金属和一些石墨。 这些材料通过过滤和浸出进行分离，得到粉末形式的镍、锰和钴，可用于为新电池制造新的正极。研究人员指出，在显微镜下，粉末中的颗粒比开采出的金属具有更大的孔隙，而且脆性也更低。更大的空隙有利于实现更好的离子扩散，更低的脆性使材料在反复充放电后也不太可能破裂，因此，可以制造出更好的电池。

（新回收工艺流程图）

通过各种工业级测试验证，回收材料制造的电池可以在 80% 和 70% 的容量保持率下实现 4,200 次循环和 11,600 次循环，这比最好的商用材料制造的电池高出33% 和 53%。同时，其倍率性能比市售材料高88.6%。这种回收材料的性能优于市售的同类材料，为废旧锂离子电池提供了绿色和可持续的解决方案，证明了可以实现有利可图的锂电池回收过程，在学术界和工业界之间架起了一座桥梁。

参考内容：

https://techxplore.com/news/2021-11-keys-influx-ev-batteries.html

https://techxplore.com/news/2021-11-reclaim-cathode-materials-lithium-batteries.html