Chem：废旧锂离子电池回收作为一座“金矿”，面临的挑战有哪些！

【工作简介】

随着锂离子电池（LIBs）的广泛应用及对其需求的快速增长，每年都会产生大量的废旧锂离子电池，对供应链和生态环境构成严重影响。因此，LIBs回收对于维持未来的供应链完整和减少环境污染至关重要。然而，工业水平的回收受到各种因素的阻碍，使实现大规模回收的同时很难保持经济可行性。

针对上述挑战，美国伍斯特理工学院Yan Wang教授撰文讨论了解决方案，旨在为未来的研究工作提供指导。相关文章以“Li-ion Battery Recycling Challenges”为题发表在国际顶级期刊“Chem”上。

【内容详情】

1. 锂离子电池回收为何如此重要？

1）电动汽车全球化带来的供应链资源紧缺

为了减少温室气体排放和缓解全球变暖问题，世界各国纷纷推广电动汽车，颁布了全面汽车电气化的目标及政策，众多车企也积极响应号召，大力研发电动汽车。随着电动汽车产量的迅猛增长，对电池相关原材料如镍、钴、锰、锂和石墨等的需求也随之增加。然而，即使在目前的需求水平上，满足全球供应链的预期需求也需要很长的交付周期。因此，预计未来将会出现严重的原料短缺，特别是对锂和钴元素来说。

2）大量废旧电池带来的环境问题

与此同时，由于消费类电子产品LIBs的平均寿命为1-3年，电动汽车或储能系统LIBs的平均寿命为8-10年，到2023年将产生约20万吨消费类废旧LIBs和88万吨电力类废旧LIBs。如果使用过的LIBs不能得到充分处理，那么大量的使用过的LIBs将造成严重的环境问题，特别是处理不当时会向环境中释放Co、Ni、Mn和HF等有毒重金属和气体，大量的废旧LIBs堆积加上不当的处理也会造成严重的火灾和爆炸危险。

3）废旧电池也是一种具有经济效益的资源

废旧锂离子电池的内部材料都是电池级的，它们可以重新用于新电池的生产。因此，回收使用过的锂离子电池可以为新电池的制造提供二次材料来源。此外，使用回收的正极材料可以节省锂电池总成本的20%以上，而且从废旧锂电池中回收正极材料之外的组件还可以实现更高的经济效益。

由此可见，LIBs回收在缓解当前和未来供应链担忧、防止可能的污染和环境危害、产生可持续的经济效益方面可以发挥关键作用，下文中，作者分类讨论了目前LIBs回收面临的技术和商业化挑战（图1）。

图1、锂离子电池回收面临的技术挑战及商业化挑战。

2. 技术挑战

作者总结了近年来国内外关于锂离子电池回收的基础研究和工业实践进展，包括火法、湿法和直接回收方法等。目前还没有一种理想的LIBs回收技术，仍然存在许多挑战和障碍等待解决。与此同时，商业化LIBs也在不断发展：为了实现更高的能量密度、更长的航程和更高的安全性，在新材料研发和电池结构设计改进上进行了大量的工作，这固然推动着电池的快速发展，但也使得回收更加具有挑战性。

2.1电池结构设计

商业化LIBs通常主要有三种电池外壳：圆柱形、棱柱形和软包电池，这三种不同类型的LIB进一步形成不同的模块和组件。此外，为了提高实际情况下电动汽车的空间利用率，制造商还热衷于开发和整合新的电池结构，这使得回收时，拆卸和预处理过程中存在一定的困难。

尽管火法冶金工艺对预处理的要求较低，可以忽略电池结构设计更新带来的问题。然而，这一方法只能回收正极材料和集流体，经济效益低。为了降低回收成本，需要进一步发展拆卸和预处理技术。与此同时，未来的电池设计应考虑后续的拆卸和分离处理，以促进废旧电池的回收利用。

2.2电池材料研发

目前，商业化锂离子电池正极材料主要有层状氧化物、尖晶石型氧化物和聚阴离子氧化物等，除了单独使用外，制造商还尝试将两种或多种正极材料混合使用，以获得理想的性能。因此，回收过程必须考虑如何处理具有不同化学成分的混合正极材料，并将这些材料转化为对当前电池有用的配方。

负极材料也同样在不断发展，从石墨到硅基材料，最后的目标则是锂金属负极。石墨是目前锂离子电池负极材料的首选，但由于其附加值低，很少进行回收利用。然而，随着大量废旧锂离子电池的产生，研究人员应该开始考虑研发专门针对正极材料的回收技术。幸运的是，石墨和硅基负极材料是相对惰性的，这意味着它们可以很容易地被提取出来。然而，恢复其原始结构和性能仍然是一个挑战，因为这些材料的循环过后存在一定的结构损伤。

2.3全固态电池和锂金属电池

与现有的锂离子电池相比，全固态电池因其优异的热稳定性和性能稳定性、更低的成本和更高的能量密度，在未来有望被大规模应用。然而，全固态电池的回收方法几乎不存在，其主要的挑战是分离过程，必须实现固态电解质与其他电池组件，以及可能的混合原料的分离。同时，虽然锂金属作为负极提供了较高的能量密度，但由于其反应活性高，存在严重的安全隐患。因此，制造商需要在全固态电池设计和材料选择时，考虑其对回收过程的影响。

3. 商业化挑战

3.1规模升级

规模升级有两个含义，其一是从学术研究到最初的工业应用和商业化的路径。虽然学术研究人员总是有创新的想法，但系统通常是小规模和简化的。相比之下，工业环境是大规模和复杂的，使得在经济上具有足够的吞吐量。因此，学术界和产业界之间的信息不匹配会限制回收技术的发展。

其二，是指工业规模，需要具有超出中试规模工厂的回收数量。目前只有不到5%的废弃LIBs得到回收利用，而LIB回收水平必须在规模上远远超过试验工厂，使得其水平与已用的LIBs数量相当，才会有一定的资本和经济可行性。导致回收率低的主要原因是LIBs的多样性、复杂性、缺乏监管和非标准化，给分类、拆卸和预处理等回收过程带来阻碍，降低了回收的利润，使其在经济上不可行。此外，还有一系列非技术方面的挑战，如大规模收集、运输和储存废旧LIBs等物流方面问题。

3.2经济效益

商业电池回收的利润依赖于回收锂离子电池中有价值的正极材料。然而，钴作为正极中最有价值的元素，在新的正极材料化学中被有意地减少，从而使传统的锂离子的回收利用的经济挑战性更高。因此，对现有回收技术进行优化或改进以提高利润，保持经济可行性是必要的，因此，也需要大量的研究来降低成本和发展更合理的商业模式，如更优异的拆卸技术、分类和分离方法，通用化的回收流程等。

3.3电池材料需求及其测试

如何说服大型电池制造商在生产线上使用回收材料也是相当具有挑战性的，必须要保证可回收材料的性能可以达到或超过原始材料。因此，典型的实验室测试远不能说服工业制造商采用回收材料。因此，除了扣式电池和单层软包电池外，还需要对其他构造的电池进行可靠的测试。此外，在工业水平上与最先进的原始材料进行横向比较是必要的，以提供有竞争力的基准，并减轻对利用回收材料的担忧。因此，鼓励大学或实验室与工业界合作，以了解和满足工业要求。

【结论】

废旧锂离子电池回收对于维持未来的供应链和缓解环境污染至关重要。由于锂离子电池技术是动态的，在规划回收时，了解锂离子电池的发展趋势是非常必要的，它可以指导未来回收工艺的研究方向。此外，学术界和产业界之间的合作是必要的，这种合作有助于学术界了解工业界对回收技术和材料性能的实际需求。有了更好的基础，工业合作伙伴可以将学术想法转化为实际的回收技术和产品。作者认为，可持续的循环再造过程将会在当前和未来所有类型的锂离子电池中得以实现。

Xiaotu Ma, Luqman Azhari, Yan Wang, Li-ion battery recycling challenges, Chem, 2021, https://doi.org/10.1016/j.chempr.2021.09.013