ACS Energy Lett: 锂离子电池回收─技术与趋势概述

一、背景介绍

从1970年代最初发现到2019年获得诺贝尔奖，锂离子电池(LIB)的使用呈指数增长。然而，大多数废弃的LIB最终都被填埋起来，在污染土地的同时浪费能源和不可再生的自然资源。随着电动汽车数量的爆炸性增长以及电池的庞大尺寸，每年都会产生大量的LIB废物，如果没有回收再利用的话，将产生巨大的环境影响并加速矿产储量的枯竭。然而， LIB的复杂结构增加了其回收难度，目前关于LIB的回收仍然不容乐观。

二、成果简介

美国化学学会(ACS)旗下化学文摘社Chemical Abstract Service(CAS)的研究者Zachary J. Baum等人根据出版类型和出版年份分析了3596份论文。从当前有关LIB回收利用论文的出版趋势，LIB的回收方法，回收过程中所面临的成本因素等多个方面综合分析，总结出LIB的回收的重要性、必然性与迫切性。并对从事该领域的科研工作者提出建设性建议。相关研究结果以题为 “Lithium-Ion Battery Recycling─Overview of Techniques and Trends”发表在ACS Energy Lett上。

三、图文解析

1. 出版趋势

图1 有关LIB回收利用的期刊文章和专利出版物 © 2022 American Chemical Society

图1中，作者根据出版类型和出版年份分析了3596份与LIB回收相关的出版物，发现尽管全球科学出版物数量在过去十年中稳步增长，但有关LIB回收年度出版物数量增长(32%)远远超过整体科学出版物的数量增长(每年4%)，尤其在过去4年增长尤为明显。作者进一步发现，专利申请占锂离子电池回收文献的74%，而在整个CAS Content Collection中，专利数量与期刊文章的比例为2:1，这表明很多围绕LIB回收的技术和发现具有很高的商业价值。对与这些文件的附属组织相关的国家/地区的分析表明，中国在期刊和专利方面的发表量是迄今为止最高的。对专利权受让人的进一步分析显示，在LIB回收方面的专利申请量最高的组织主要位于中国、日本和法国。

2. LIB回收方法和工业实施方法

图2 用于回收LIB活性材料的直接、火法和湿法冶金回收方法 © 2022 American Chemical Society

由于LIB中材料结构复杂、数量繁多，它们在再利用/回收之前必须经过各种处理。LIB必须首先进行分类，并且通过失活、拆卸和分离进行预处理，然后才可以对其进行直接回收、火法冶金、湿法冶金或多种方法的组合进行回收。在众多的回收方案中，目前主要使用湿法冶金和火法冶金方法的组合来回收锂离子电池。火法冶金方法允许电池原料的灵活性，并且对现有设施只需要进一步固定投资。另一方面，目前在开发中的方法在更大程度上依赖湿法冶金，其部分原因是较低的设施成本。Lithorec和Aalto大学都设计了湿法冶金方法，而Accurec、Battery Resources和OnTo使用湿法冶金和火法冶金方法。

图3 论文中通过湿法冶金/火法冶金回收的金属种类比较 © 2022 American Chemical Society

为了比较不同回收方法的受欢迎程度，对过去十年的出版物数量进行了分析，如图3所示。锂是最常回收的元素，其次是金属，顺序为 Li > Co > Ni > Mn > Fe。这一趋势与原始金属之间的价格差异非常吻合(除锂和钴)。锂回收的高出版量可能是由于锂在所有LIB正极中的普遍存在。用于回收金属的湿法冶金或火法冶金方法的出版量大致遵循相同的趋势，而总出版量呈指数增长。在大多数研究中都使用了湿法冶金和火法冶金的组合。

3. 回收过程中能源/环境影响

图4 研究非正极材料回收和回收工艺优化的出版物 © 2022 American Chemical Society

要了解如何降低电池回收的成本，应该估算电池中使用的材料及其成本，并比较新材料和回收材料的成本。虽然从正极回收中获得了最高价值，但是为了更全面回收和可持续利用，还应当考虑锂离子电池的所有组成部分。作者在图4中量化了关注较少研究组件的出版物。研究最多的非正极组件是负极，其次是电解质、集电器和隔膜。虽然这四种成分中的每一种都包含类似的电池材料成本，但纯化每种材料的相对难度及其各自的次要价值会影响出版重点，为了最大限度地利用可回收材料，拆解优于整个电池的粉碎。但是拆解过程中的大量人工劳动力会消耗大量资源。

4. LIB 回收设施展望

图5 截至2021年11月已建立和规划的全球LIB回收设施 © 2022 American Chemical Society

如图5所示，在工业化LIB回收中，东亚拥有近三分之二的当前LIB回收能力，拥有207,500吨电池回收能力以及9个已建成和2个计划中的设施。欧洲拥有第二大的活性电池回收设施，共有7个设施，总产能为92,000吨。北美有四个电池回收设施在运营，总产能为20,500吨。总体而言，目前超过三分之二的LIB回收在中国，大约90%的回收集中在欧洲和东亚。虽然LIB回收技术已部分建立，但目前正在研究更多的技术发现，并且需要继续改进回收过程。对于该领域的研究人员来说，由于工业相关工作的普遍性，阅读专利和学术文献很重要。新发现将为快速扩张的回收行业提供支持，以帮助保护资源并提供全球可持续性，这也为当前从事LIB回收的科研工作者带来了契机。

六、总结与展望

本文总结了当下有关LIB回收的主要方法，面临的问题，同时又介绍了市场对于LIB回收的迫切性，这对于目前从事这一领域的科研工作者有很好的启迪作用。结合LIB回收利用技术已经引起大量科研工作者的注意，新方法，新思路的出现必然会降低LIB回收成本，提高效率，以保护不可再生资源并提供全球可持续性。另外，作者在2022年1月20日在ACS Energy Lett发表题为“The Regulatory Environment for Lithium-Ion Battery Recycling”的文章进一步对LIB回收的监管环境作了分析。

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