近期，瑞典查爾姆斯理工大學(xué)（ChalmersUniversity of Technology）研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種電動(dòng)汽車動(dòng)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(dòng)力電池回收行業(yè)借鑒。

當(dāng)前，全球電動(dòng)汽車需求已達(dá)到一個(gè)臨界點(diǎn)。據(jù)國(guó)際能源署（IEA）發(fā)布的消息顯示，2019—2021年，全球電動(dòng)汽車的新車注冊(cè)量猛增，達(dá)到660萬(wàn)輛，同時(shí)對(duì)動(dòng)力電池的研究方向也轉(zhuǎn)向如何以更低的成本來(lái)獲取更長(zhǎng)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(dāng)電動(dòng)汽車和動(dòng)力電池達(dá)到使用壽命后，如何開展電動(dòng)汽車動(dòng)力電池及其生產(chǎn)中使用的關(guān)鍵原材料的回收處理面臨巨大挑戰(zhàn)。對(duì)于電動(dòng)汽車動(dòng)力電池材料的回收處理，汽車制造業(yè)供應(yīng)鏈相關(guān)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(duì)動(dòng)力電池材料的回收率提出了嚴(yán)苛的目標(biāo)：從2025年開始，全新的鋰離子電池包及電動(dòng)汽車在生產(chǎn)中使用的關(guān)鍵原材料回收率必須達(dá)到65%；至2030年，其回收率需達(dá)到70%。同時(shí)，歐盟還要求汽車制造商從2027年1月開始，必須對(duì)外公布該公司對(duì)動(dòng)力電池材料回收明細(xì)，并提出該公司在2030年后強(qiáng)制回收鈷、鉛、鋰、鎳等金屬材料的最低回收率計(jì)劃。

查爾姆斯理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一項(xiàng)資源回收效率較大，并可持續(xù)盈利的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池材料回收試驗(yàn)，該試驗(yàn)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(duì)回收方法和回收過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化。有一些公司對(duì)外宣稱他們已具備回收動(dòng)力電池材料的能力，或者具備回收動(dòng)力電池材料的基礎(chǔ)設(shè)施，但這些設(shè)備仍需進(jìn)行優(yōu)化，以減少對(duì)化學(xué)原料和能源的消耗。”

該研究團(tuán)隊(duì)從2014年開始進(jìn)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(dòng)力電池中回收高純度材料，滿足汽車工業(yè)對(duì)這些材料的二次利用需求。查爾姆斯理工大學(xué)提供的動(dòng)力電池材料回收基礎(chǔ)設(shè)施能讓第三方評(píng)估機(jī)構(gòu)參與到整個(gè)動(dòng)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(yàn)室及小規(guī)模的試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)，該設(shè)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(xiàng)目”的前期研究，該項(xiàng)目是動(dòng)力電池材料回收試點(diǎn)項(xiàng)目。

查爾姆斯理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)專注于濕法冶金（hydrometallurgy）技術(shù)解決方案的研究，該技術(shù)可代替能源消耗較大的火法冶金（pyrometallurgy）技術(shù)。

研究團(tuán)隊(duì)選擇了沃爾沃汽車公司提供的鎳錳鈷（NMC）電池進(jìn)行測(cè)試。在鎳錳鈷電池完全放電后，對(duì)其進(jìn)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(jìn)行30 min、60 min和90 min的焚燒熱解處理，并對(duì)熱解樣品進(jìn)行稱重，得到相應(yīng)的熱解率。

最新的研究結(jié)果顯示，不同的熱處理溫度和時(shí)間會(huì)影響電解質(zhì)材料在溶劑中的回收。為此，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)預(yù)熱處理過(guò)程進(jìn)行了優(yōu)化。

PETRANIKOVA副教授說(shuō)道，“測(cè)試焚燒和熱解這兩種預(yù)熱處理工藝非常重要，我們可以觀察到金屬回收的整個(gè)預(yù)熱處理過(guò)程。對(duì)于濕法冶金技術(shù)而言，上述工藝無(wú)需額外消耗能源?！?/p>

該研究團(tuán)隊(duì)的試驗(yàn)結(jié)果顯示，在濕法冶金工藝的焚燒過(guò)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(yīng)產(chǎn)生CO2，降低了碳的熱還原性，銅和鋁箔發(fā)生反應(yīng)，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(tuán)隊(duì)認(rèn)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(jìn)行高純度的材料過(guò)濾。此外，研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的熱處理，金屬材料鈷和鎳的回收速率會(huì)降低，經(jīng)過(guò)熱解30 min后，會(huì)形成更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體和不易濾取的金屬氧化物。

該研究團(tuán)隊(duì)還表示，可以在室溫環(huán)境下進(jìn)行濕法冶金工藝過(guò)程，而無(wú)需加熱到60～80 ℃。試驗(yàn)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(jìn)行攪動(dòng)，浸泡1 min后開始逐漸增加時(shí)間間隔，提取10個(gè)100 μL的樣品溶液，從而檢測(cè)出金屬的浸出情況。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在室溫環(huán)境下，各種金屬采用硫酸浸出工藝達(dá)到完全回收的時(shí)間分別為：鋰2 min，錳5min，銅10 min、鎳10 min。

該研究對(duì)優(yōu)化現(xiàn)有動(dòng)力電池回收商業(yè)模式具有重要意義。Burcak EBIN研究員認(rèn)為：“裝滿數(shù)噸水的過(guò)濾罐在工業(yè)運(yùn)用中較為廣泛。加熱過(guò)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(jìn)行電池材料的回收，則可以節(jié)省很多能源。”

PETRANIKOVA副教授聲稱，該團(tuán)隊(duì)的補(bǔ)充研究已證實(shí)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化預(yù)熱處理，無(wú)需大量的雙氧水即可回收鈷，并可在純水中過(guò)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(biāo)：到2025年，鈷、銅、鉛和鎳的回收率達(dá)到90%，鋰的回收率達(dá)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(dòng)汽車動(dòng)力電池材料的優(yōu)化回收研究還需要與電池供應(yīng)商進(jìn)一步合作。查爾姆斯理工大學(xué)近期與瑞典Nilar公司開展了一項(xiàng)合作項(xiàng)目，即開發(fā)設(shè)計(jì)一款易于自動(dòng)拆卸的鎳氫電池。由于鋰離子電池的負(fù)極材料具有一定的脆性，其自動(dòng)化生產(chǎn)工藝難度較大。PETRANIKOVA副教授認(rèn)為，電池的化學(xué)成分會(huì)隨著鋰離子電池性能的提高發(fā)生變化，而性能更好的負(fù)極材料對(duì)電動(dòng)汽車的發(fā)展非常重要。

EBIN研究員指出，“在生產(chǎn)過(guò)程中必須考慮這些材料的易變性，動(dòng)力電池制造商必須考慮大局，主動(dòng)承擔(dān)起動(dòng)力電池回收的責(zé)任。隨著動(dòng)力電池材料的化學(xué)成分愈加復(fù)雜，其回收成本也會(huì)相應(yīng)增加。研究并優(yōu)化動(dòng)力電池材料的回收過(guò)程，并向動(dòng)力電池制造商傳達(dá)動(dòng)力電池材料回收的研究信息同樣重要。動(dòng)力電池制造商可以通過(guò)動(dòng)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(dòng)力電池材料的回收方案。”

審核編輯：劉清