ACS Energy Lett: 鋰離子電池回收─技術與趨勢概述

一、背景介紹

從1970年代最初發現到2019年獲得諾貝爾獎，鋰離子電池(LIB)的使用呈指數增長。然而，大多數廢棄的LIB最終都被填埋起來，在污染土地的同時浪費能源和不可再生的自然資源。隨著電動汽車數量的爆炸性增長以及電池的龐大尺寸，每年都會產生大量的LIB廢物，如果沒有回收再利用的話，將產生巨大的環境影響并加速礦產儲量的枯竭。然而， LIB的復雜結構增加了其回收難度，目前關于LIB的回收仍然不容樂觀。

二、成果簡介

美國化學學會(ACS)旗下化學文摘社Chemical Abstract Service(CAS)的研究者Zachary J. Baum等人根據出版類型和出版年份分析了3596份論文。從當前有關LIB回收利用論文的出版趨勢，LIB的回收方法，回收過程中所面臨的成本因素等多個方面綜合分析，總結出LIB的回收的重要性、必然性與迫切性。并對從事該領域的科研工作者提出建設性建議。相關研究結果以題為 “Lithium-Ion Battery Recycling─Overview of Techniques and Trends”發表在ACS Energy Lett上。

三、圖文解析

1. 出版趨勢

圖1 有關LIB回收利用的期刊文章和專利出版物 ? 2022 American Chemical Society

圖1中，作者根據出版類型和出版年份分析了3596份與LIB回收相關的出版物，發現盡管全球科學出版物數量在過去十年中穩步增長，但有關LIB回收年度出版物數量增長(32%)遠遠超過整體科學出版物的數量增長(每年4%)，尤其在過去4年增長尤為明顯。作者進一步發現，專利申請占鋰離子電池回收文獻的74%，而在整個CAS Content Collection中，專利數量與期刊文章的比例為2:1，這表明很多圍繞LIB回收的技術和發現具有很高的商業價值。對與這些文件的附屬組織相關的國家/地區的分析表明，中國在期刊和專利方面的發表量是迄今為止最高的。對專利權受讓人的進一步分析顯示，在LIB回收方面的專利申請量最高的組織主要位于中國、日本和法國。

2. LIB回收方法和工業實施方法

圖2 用于回收LIB活性材料的直接、火法和濕法冶金回收方法 ? 2022 American Chemical Society

由于LIB中材料結構復雜、數量繁多，它們在再利用/回收之前必須經過各種處理。LIB必須首先進行分類，并且通過失活、拆卸和分離進行預處理，然后才可以對其進行直接回收、火法冶金、濕法冶金或多種方法的組合進行回收。在眾多的回收方案中，目前主要使用濕法冶金和火法冶金方法的組合來回收鋰離子電池。火法冶金方法允許電池原料的靈活性，并且對現有設施只需要進一步固定投資。另一方面，目前在開發中的方法在更大程度上依賴濕法冶金，其部分原因是較低的設施成本。Lithorec和Aalto大學都設計了濕法冶金方法，而Accurec、Battery Resources和OnTo使用濕法冶金和火法冶金方法。

圖3 論文中通過濕法冶金/火法冶金回收的金屬種類比較 ? 2022 American Chemical Society

為了比較不同回收方法的受歡迎程度，對過去十年的出版物數量進行了分析，如圖3所示。鋰是最常回收的元素，其次是金屬，順序為 Li > Co > Ni > Mn > Fe。這一趨勢與原始金屬之間的價格差異非常吻合(除鋰和鈷)。鋰回收的高出版量可能是由于鋰在所有LIB正極中的普遍存在。用于回收金屬的濕法冶金或火法冶金方法的出版量大致遵循相同的趨勢，而總出版量呈指數增長。在大多數研究中都使用了濕法冶金和火法冶金的組合。

3. 回收過程中能源/環境影響

圖4 研究非正極材料回收和回收工藝優化的出版物 ? 2022 American Chemical Society

要了解如何降低電池回收的成本，應該估算電池中使用的材料及其成本，并比較新材料和回收材料的成本。雖然從正極回收中獲得了最高價值，但是為了更全面回收和可持續利用，還應當考慮鋰離子電池的所有組成部分。作者在圖4中量化了關注較少研究組件的出版物。研究最多的非正極組件是負極，其次是電解質、集電器和隔膜。雖然這四種成分中的每一種都包含類似的電池材料成本，但純化每種材料的相對難度及其各自的次要價值會影響出版重點，為了最大限度地利用可回收材料，拆解優于整個電池的粉碎。但是拆解過程中的大量人工勞動力會消耗大量資源。

4. LIB 回收設施展望

圖5 截至2021年11月已建立和規劃的全球LIB回收設施 ? 2022 American Chemical Society

如圖5所示，在工業化LIB回收中，東亞擁有近三分之二的當前LIB回收能力，擁有207,500噸電池回收能力以及9個已建成和2個計劃中的設施。歐洲擁有第二大的活性電池回收設施，共有7個設施，總產能為92,000噸。北美有四個電池回收設施在運營，總產能為20,500噸。總體而言，目前超過三分之二的LIB回收在中國，大約90%的回收集中在歐洲和東亞。雖然LIB回收技術已部分建立，但目前正在研究更多的技術發現，并且需要繼續改進回收過程。對于該領域的研究人員來說，由于工業相關工作的普遍性，閱讀專利和學術文獻很重要。新發現將為快速擴張的回收行業提供支持，以幫助保護資源并提供全球可持續性，這也為當前從事LIB回收的科研工作者帶來了契機。

六、總結與展望

本文總結了當下有關LIB回收的主要方法，面臨的問題，同時又介紹了市場對于LIB回收的迫切性，這對于目前從事這一領域的科研工作者有很好的啟迪作用。結合LIB回收利用技術已經引起大量科研工作者的注意，新方法，新思路的出現必然會降低LIB回收成本，提高效率，以保護不可再生資源并提供全球可持續性。另外，作者在2022年1月20日在ACS Energy Lett發表題為“The Regulatory Environment for Lithium-Ion Battery Recycling”的文章進一步對LIB回收的監管環境作了分析。

文獻鏈接: Lithium-Ion Battery Recycling─Overview of Techniques and Trends. 2022, ACS Energy Lett, https://doi.org/10.1021/acsenergylett.1c02658