电池回收和再利用：下一个风口

Aqua metals 的Lithium AquaRefining试点项目的工厂内部。（Aqua metals）

为了处置市场上将出现的大量废旧电动车电池，已有多家公司开始着手研究电池回收技术。

回收电动车电池是汽车行业多年以来的目标，但由于基础设施薄弱，电池回收技术的大规模落地仍处于早期阶段。随着电动车产生的废旧锂离子电池和电芯不断增加，汽车行业也做好了将其回收再利用的准备。

美国联邦政府推出了促进锂离子电池回收的举措，而这不止是为了减少电池对环境的影响。废旧电池材料不仅能用于制造新电池，也有助于将电动车电池的生产成本降低至60美元／kWh的国家目标。

2019年2月，美国能源部（DOE）汽车技术办公室（VTO）启动了ReCell中心，携手行业、学术界和国家实验室共同研发针对当前和未来电池材料体系的回收技术。ReCell中心由阿贡国家实验室、国家可再生能源实验室（NREL）、橡树岭国家实验室以及爱达荷国家实验室联合四所高校共同组建。

ReCell应用材料部材料回收小组负责人Jeff Spangenberger告诉SAE，ReCell不仅关注电池回收的科学问题，还致力于推动行业的协作发展。

Spangenberger表示：“电池回收是降低材料成本的绝佳途径。从回收材料或电池原料中直接提取所需材料要比开采矿物容易得多，为此需要行业的共同努力。没有人能够单枪匹马地解决这一问题，所以我们致力于促进行业机构间的合作。”ReCell会定期举办行业合作会议，以促进各方合作交流。

ReCell的电池直接回收技术

ReCell重点研究电池直接回收技术。目前电池回收主要依靠湿法冶金和火法冶金两种技术，即利用化学反应或热量将电池分解为金属硫酸盐等原料化合物。而直接回收技术则有所不同，可以在不分解电池化学结构的情况下，实现电池成分的回收再利用。ReCell官网称其开发出了一种名为EverBatt的分析模型，该模型“可比较原始电池与再生电池的影响和工艺，并确定其对不同参数的敏感性”。利用该模型研究发现，直接回收技术比湿法冶金和火法冶金技术耗能更少，更可持续。

直接再循环技术通过几个步骤对电池进行处理，所有步骤都在温和的条件下进行，以回收适合用于生产新电池的材料 晶体结构完好的阴极是主要目标，但也在寻找阳极碳和电解质盐。（ReCell）

Spangenberger说：“直接回收技术尚未得到充分研究，也未实现商业化。但分析表明，直接回收技术蕴藏着巨大机遇，可实现比湿法冶金和火法冶金技术更高的成本效益和更丰厚的利润。”

他表示，ReCell正在开展的约50个项目中，近一半的项目都在研究直接回收技术。

“我们刚开始探索直接回收技术时，市场上只有一家公司在从事相关研究。但随着我们不断取得突破，我们希望带动整个行业蓬勃发展。目前，市场上已有大约三家公司在从事相关研究，并已达到试点规模。这表明，投资者已经关注到了直接回收技术，并愿意投资。”

直接再循环回收的活性材料可直接用于制造新电池，避免了昂贵和能源密集型的加工步骤。（ReCell）

ReCell的其他项目关注的是高级资源回收（将电池组件升级再造为新产品）、可持续设计（设计更易于回收或拆解的电池）以及建模和分析（如EverBatt分析模型）等方面。Spangenberger表示，这些研究能够让ReCell专心攻克那些对整个行业至关重要的技术。而以上四个方面显然是相辅相成的。举例来说，可持续设计需要考虑诸如“为了提升性能而增加一种化学物质是否会导致电池变得不可回收”这样的问题。

Spangenberger认为：“可持续性并不是产品设计的首要指标，如果产品连销路都没有，那么回收也无从谈起。因此，降低成本和提高性能都很重要。但我认为，对任何产品而言，使用寿命结束后的废弃管理都是必须纳入产品设计的一个指标。”

海克斯康的数字孪生模型

全球数字现实解决方案公司海克斯康研发的数字孪生模型可帮助企业更好地制造产品。海克斯康汽车总监George Cuff告诉SAE，数字孪生技术可用于分析电动车电池在真实场景中的性能，比如电池的各种热特性等。

Cuff表示：“我们可以收集电池的性能信息，并用于产品研发。我们的仿真空间有各种工具。希望优化电池设计的制造商可以在不同场景中进行测试，并借助真实场景反馈的信息实现设计优化。”

他指出，数字孪生技术还能提升电池的回收效率。例如，海克斯康的软件就能在数字孪生模型中管理各种材料，用于仿真分析。

“凭借这些数据，便可针对特定电池或车型进行分析，比如掌握某些原材料的数量，分辨出哪些材料可以回收利用，哪些材料是危险废料。我认为，政府将来一定会规定或要求行业掌握电池包的材料类型，分辨哪些材料可回收、哪些不可回收，以及哪些是危险材料。到那时候，我们需要具备处置报废电池和电池包的有效方案。”

美国环境保护局建议企业将废旧锂电池作为危险废料处理，即电池的最终处置需要交由具有资质的危险废料处理厂或回收商完成。如果这些废旧电池要进行国际运输，则必须遵守《美国资源保护与回收法案》（RCRA）中有关普遍废料进出口的要求。如果是国内运输，虽然环境保护局表示在“经销店、汽车修理厂、废品场或类似场地”拆除的电动汽车电池并不属于家庭危险废物，但美国交通部关于锂离子电池运输的规定也适用于作为危险废料运输的锂电池。

固态电池技术更容易回收

总部位于马萨诸塞州沃本市的美国初创公司Factorial Energy正在研发未来电动车的半固态电池技术，并已开始探索报废电池的回收方式。2023年6月，Factorial Energy宣布将与韩国财团永丰集团合作打造电池回收业务。

Factorial Energy的联合创始人兼首席执行官黄思宇告诉SAE：“美国有许多电池回收公司，但大多数公司主要回收锂离子电池。而永丰集团是我们当时了解到的唯一一家回收锂金属电池的公司，这两种回收工艺大相径庭。作为电池制造商，回收锂金属电池将有助于我们在未来降低电池成本。而且废品场会源源不断地产生废弃电池，客户也会产生一些寿命到期的电池，所以让电池在退役后还能产生价值是件好事。”

黄思宇指出，如果固态电池在电动车中得到普遍采用，那么会比当前的锂离子电池更容易回收。

她认为：“拆卸固态电池本身就比拆卸锂离子电池更安全。这是因为固态电池的固体电解质比液体电解质多。其次，由于回收锂金属阳极可能比回收碳或硅阳极价值更高，因此固态电池的再生价值可能也更高。”

Factorial 的 FEST（Factorial 电解质系统技术）100+ Ah 准固态电池电池。（Factorial）

黄思宇表示：“Factorial Energy目前需要将电池组件运到永丰集团的韩国工厂进行回收，但我们也在积极寻找能在北美进行回收的本地供应商。许多供应商都很感兴趣，剩下的只是时间和投入研发锂金属回收技术的问题。目前，本地供应商的技术水平还赶不上韩国。但如果市场上出现足够多的兴趣，而且政府也从各种监管途径提供支持，我相信这一定会促进对该行业的投资。”

关注废料

美国本地的电池生产和应用也获得了联邦政府的投资。拜登总统于2022年8月通过的《通货膨胀削减法案》（IRA）除了为2300家电网级电池工厂提供资金外，还包括广为人知的电动车税收抵免政策，单辆汽车最高可达7500美元。IRA对国产电池的强调也将重塑电动车电池的产地和原材料来源。

Aqua metals公司未来的Sierra ARC园区效果图。公司表示，分阶段发展战略将使 Aqua metals 公司 "迅速扩大我们的商业锂电池回收能力，同时保持更高水平的灵活性和适应性"。（Aqua metals）

Aqua metals的闭环金属回收工艺试点项目已经运行了一年多。Aqua metals商业副总裁David Regan告诉SAE，在公司位于塔霍里诺工业中心的Sierra ARC （AquaRefining园区）加工中心，各项工作正积极开展。Aqua metals表示，ARC将成为北美首个可持续的锂电池回收中心，也是其Li AquaRefining技术的首次商业规模部署。Regan表示，ARC中心将于今年完成设备安装，计划从夏季开始回收黑色物质，并在年底之前全面投产。Aqua metals的一阶段目标是回收3000吨黑色物质，下一阶段的目标是回收1万吨。

Regan说：“回收1万吨原料对我们来说完全不是问题。有很多黑色物质生产商正在和我们洽淡，剩下的只是定价问题。此外，我们也在同OEM和电池制造商合作。到2030年，这些公司的电池制造产能将达到1TW，这将产生大量的制造废料，但OEM并不想将其浪费。于是，他们已经开始投资相关技术，希望将这些废料进行循环利用。”

用过的袋式电池经粉碎后可产生多种产品。黑色粉末含有阳极碳和有价值的阴极材料。（ReCell）

2024年3月，Aqua metals和6K Energy宣布将在北美合作打造一条可持续的锂电池循环供应链。Regan指出，6K Energy在其工艺中使用的原料是硝酸盐而非硫酸盐，因而不会产生任何硫酸钠废料。而在传统的阴极活性材料（CAM）制造工艺中，每生产1吨CAM就会产生约26吨硫酸钠废料。Regan说，传统的湿法回收工艺也是如此，每回收1吨黑色物质通常会产生约1.5-2吨的硫酸钠废料。

Regan表示：“传统工艺产生的废料污染极其严重，碳排放量也很高。但我们的工艺不会产生任何硫酸钠。此外，我们使用的是可再生电力，因而产生的碳足迹也远低于其它技术。假设使用传统工艺回收黑色物质，每回收1吨就会产生2吨硫酸钠废料，那么这些废料必将进入填埋场或流入海洋。如果回收了数百万块锂离子电池和电动车电池，那么几十年后将会产生数百万吨废物，这是非常不可持续的。”