分享一種電動汽車動力電池材料回收方法

近期，瑞典查爾姆斯理工大學（ChalmersUniversity of Technology）研究團隊開發(fā)了一種電動汽車動力電池材料回收方法，該方法的成本效益更高，可持續(xù)性發(fā)展，其商業(yè)模式可供現(xiàn)有動力電池回收行業(yè)借鑒。

當前，全球電動汽車需求已達到一個臨界點。據(jù)國際能源署（IEA）發(fā)布的消息顯示，2019—2021年，全球電動汽車的新車注冊量猛增，達到660萬輛，同時對動力電池的研究方向也轉(zhuǎn)向如何以更低的成本來獲取更長的續(xù)航里程和更快的充電速度。

雖然該研究具有積極意義，但當電動汽車和動力電池達到使用壽命后，如何開展電動汽車動力電池及其生產(chǎn)中使用的關鍵原材料的回收處理面臨巨大挑戰(zhàn)。對于電動汽車動力電池材料的回收處理，汽車制造業(yè)供應鏈相關企業(yè)需要優(yōu)先考慮產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展。

歐盟對動力電池材料的回收率提出了嚴苛的目標：從2025年開始，全新的鋰離子電池包及電動汽車在生產(chǎn)中使用的關鍵原材料回收率必須達到65%；至2030年，其回收率需達到70%。同時，歐盟還要求汽車制造商從2027年1月開始，必須對外公布該公司對動力電池材料回收明細，并提出該公司在2030年后強制回收鈷、鉛、鋰、鎳等金屬材料的最低回收率計劃。

查爾姆斯理工大學化學工程學院的研究團隊進行了一項資源回收效率較大，并可持續(xù)盈利的電動汽車動力電池材料回收試驗，該試驗本身不考慮商業(yè)模式和環(huán)境成本。MartinaPETRANIKOVA副教授解釋，“在大多數(shù)情況下，電解質(zhì)材料的回收效率較低，需要對回收方法和回收過程進行優(yōu)化。有一些公司對外宣稱他們已具備回收動力電池材料的能力，或者具備回收動力電池材料的基礎設施，但這些設備仍需進行優(yōu)化，以減少對化學原料和能源的消耗?！?/p>

該研究團隊從2014年開始進行鋰離子電池回收方法的研究，研究方向是在使用壽命到期的動力電池中回收高純度材料，滿足汽車工業(yè)對這些材料的二次利用需求。查爾姆斯理工大學提供的動力電池材料回收基礎設施能讓第三方評估機構參與到整個動力電池材料回收產(chǎn)業(yè)鏈的各工作環(huán)節(jié)中，并可在試驗室及小規(guī)模的試驗場進行試驗，該設施還可以支持沃爾沃汽車公司和Northvolt電池制造商公司“NyBat合作項目”的前期研究，該項目是動力電池材料回收試點項目。

查爾姆斯理工大學研究團隊專注于濕法冶金（hydrometallurgy）技術解決方案的研究，該技術可代替能源消耗較大的火法冶金（pyrometallurgy）技術。

研究團隊選擇了沃爾沃汽車公司提供的鎳錳鈷（NMC）電池進行測試。在鎳錳鈷電池完全放電后，對其進行1 h的切割磨碎處理，形成粒徑小于75 μm的均質(zhì)顆粒。然后取6 g樣品放置到400～700 ℃的高溫環(huán)境中，分別進行30 min、60 min和90 min的焚燒熱解處理，并對熱解樣品進行稱重，得到相應的熱解率。

最新的研究結果顯示，不同的熱處理溫度和時間會影響電解質(zhì)材料在溶劑中的回收。為此，研究團隊對預熱處理過程進行了優(yōu)化。

PETRANIKOVA副教授說道，“測試焚燒和熱解這兩種預熱處理工藝非常重要，我們可以觀察到金屬回收的整個預熱處理過程。對于濕法冶金技術而言，上述工藝無需額外消耗能源?！?/p>

該研究團隊的試驗結果顯示，在濕法冶金工藝的焚燒過程中，在富氮條件下的高溫碳裂解處理使C與O2發(fā)生反應產(chǎn)生CO2，降低了碳的熱還原性，銅和鋁箔發(fā)生反應，提取材料的純度下降。在濕法冶金工藝中的高溫裂解處理可避免上述現(xiàn)象的發(fā)生。

研究團隊認為，在700 ℃條件下將電池材料熱解30 min后，可以降低金屬氧化物的碳熱還原性，并可以進行高純度的材料過濾。此外，研究團隊還發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過較長時間的熱處理，金屬材料鈷和鎳的回收速率會降低，經(jīng)過熱解30 min后，會形成更為復雜的結構體和不易濾取的金屬氧化物。

該研究團隊還表示，可以在室溫環(huán)境下進行濕法冶金工藝過程，而無需加熱到60～80 ℃。試驗研究將電池材料放置在硫酸中沉浸180 min，期間用電磁攪拌器以300 r/min的轉(zhuǎn)速進行攪動，浸泡1 min后開始逐漸增加時間間隔，提取10個100 μL的樣品溶液，從而檢測出金屬的浸出情況。試驗結果顯示，在室溫環(huán)境下，各種金屬采用硫酸浸出工藝達到完全回收的時間分別為：鋰2 min，錳5min，銅10 min、鎳10 min。

該研究對優(yōu)化現(xiàn)有動力電池回收商業(yè)模式具有重要意義。Burcak EBIN研究員認為：“裝滿數(shù)噸水的過濾罐在工業(yè)運用中較為廣泛。加熱過濾罐中的水需要大量的能源，而在環(huán)境溫度下采用濕法冶金工藝進行電池材料的回收，則可以節(jié)省很多能源?！?/p>

PETRANIKOVA副教授聲稱，該團隊的補充研究已證實，經(jīng)過優(yōu)化預熱處理，無需大量的雙氧水即可回收鈷，并可在純水中過濾僅含有少量鋁雜質(zhì)的鋰。鑒于此研究，歐盟提出了以下電池材料回收目標：到2025年，鈷、銅、鉛和鎳的回收率達到90%，鋰的回收率達到35%；到2030年，鈷、銅、鉛和鎳的回收率提升至95%，鋰回收率提升至70%。

電動汽車動力電池材料的優(yōu)化回收研究還需要與電池供應商進一步合作。查爾姆斯理工大學近期與瑞典Nilar公司開展了一項合作項目，即開發(fā)設計一款易于自動拆卸的鎳氫電池。由于鋰離子電池的負極材料具有一定的脆性，其自動化生產(chǎn)工藝難度較大。PETRANIKOVA副教授認為，電池的化學成分會隨著鋰離子電池性能的提高發(fā)生變化，而性能更好的負極材料對電動汽車的發(fā)展非常重要。

EBIN研究員指出，“在生產(chǎn)過程中必須考慮這些材料的易變性，動力電池制造商必須考慮大局，主動承擔起動力電池回收的責任。隨著動力電池材料的化學成分愈加復雜，其回收成本也會相應增加。研究并優(yōu)化動力電池材料的回收過程，并向動力電池制造商傳達動力電池材料回收的研究信息同樣重要。動力電池制造商可以通過動力電池材料回收的研究成果，更改電池材料的組分，優(yōu)化動力電池材料的回收方案。”

審核編輯：劉清