ACS Energy Lett.：全球锂离子电池回收现状和展望

锂离子电池(LIBs)通常用于各种消费产品，包括手机、笔记本电脑和音乐播放器。最近，同时使用内燃机和电池的电动和混合动力汽车在汽车制造中所占比例越来越大。由于受到LIBs某些组分的来源有限的影响，以及汽车所需LIBs的尺寸和数量增加，可能需要对LIBs进行回收，以减轻其潜在的环境成本，并最有效地管理锂离子电池的材料成本。电池回收成本可能取决于许多因素，其中包括使用较新的回收技术，有效利用回收技术，以及发展当地的回收技术。此外，虽然LIBs回收能给制造商、消费者和回收者带来一些好处，但它的许多好处是无法通过短期获益来表现出来的。为了实现LIBs回收的好处，同时保护我们的社会和环境，很可能需要制定一系列的法规。

【成果简介】

近日，美国俄亥俄州哥伦布市CAS的Robert Bird团队讨论了世界各国LIBs回收法规的现状，重点讨论了美国、欧盟和我国的LIBs回收法规对LIBs市场的影响，以及法规对LIBs回收的一些影响。相关研究成果以“The Regulatory Environment for Lithium-Ion Battery Recycling”为题发表在ACS Energy Lett.上。

【核心内容】

目前用来回收废弃LIBs的方法主要有三种。(1)通过拆卸电池和物理分离电池组件来直接回收用于锂离子电池的正极材料。与其他方法相比，直接回收所需的材料和能源更少，但需要更多的人工来拆卸电池组件以供重复使用。(2)火法冶金法利用热能(通常对电池壳和有机成分进行燃烧提供)和还原剂将电池成分还原为可分离的金属和熔渣。火法冶金比其他方法需要更多的能源和成本，且不能用于回收锂，但其可适用于回收各种类型的电池(不仅限于LIBs)。(3)湿法冶金法使用水溶液从电池中提取金属化合物，然后选择性沉淀以回收单一金属化合物。湿法冶金比火法冶金所需的设施成本和能源更低，但相对的需要更大量的试剂和水来处理电池。火法冶金法和湿法冶金法均需要进行预处理来制备电池材料以便于进行下一步的加工。电池回收方法的成本很大程度上取决于电池回收的规模；通过对一种汽车电池回收(>20000公吨)的调查统计结果表明湿法冶金法是最经济的方法，而直接回收和火法冶金法具有相似的LIBs回收成本。

美国的LIBs回收发展现状

在美国，联邦、州和地方政府拥有对LIBs处置和回收的权力。“截至2020年7月，没有任何美国联邦政策直接涉及电池储能系统的废弃和锂离子电池的再利用/回收。”参议院在2020年和2021年提出了回收LIBs的法案。2021年，美国国会通过了一项为基础设施投资提供资金的法案(简称《基础设施投资和就业法案》)。虽然该法没有强制要求电池回收，但在第40207和40208条中，它为电池回收研究提供了6000万美元，为地方政府提供了5000万美元，为零售商提供了1500万美元，以资助电池回收项目。它还为研究电动汽车电池的再利用提供了一个过程，并建议成立一个工作组来制定一个扩展的生产者责任框架、自愿性电池标签的指南和电池回收的最佳实践。此外，已经有两项与LIBs回收有关的联邦法律被颁布。第一个是《含汞和可充电电池管理法》，该法案要求销售铅酸和镍氢电池的公司和商店接受废旧电池并进行回收利用。铅酸电池的回收被视为未来LIBs回收法规的潜在模板。根据这些规则，>95%的铅酸电池被回收，几乎所有的铅都用于制造新电池。铅酸蓄电池有考虑到回收利用而设计，具有共同的蓄电池技术和设计；甚至电池外壳的聚丙烯在电池之间都是统一的。相比之下，LIBs使用多种正极材料和电解质，具有多种形状和尺寸，并组装成各种尺寸的电池模块。LIBs也更难拆解成组件，组件的价值随时间变化很大，任何LIBs回收政策都需要考虑到这些差异。铅酸电池的回收格局也为类似的LIBs回收法规起到了警示作用。美国的电池回收设施存在各种环境问题；例如，2015年关闭的位于加利福尼亚州弗农的Exide电池厂因环境法规多次被提到。因此，许多铅酸电池被出口并在别处回收。任何LIBs回收政策都应考虑回收对环境和电池回收所在社区的潜在危害及其缓解措施。

与LIBs回收相关的第二部法律是《资源保护和回收法》(RCRA)，它规定了处置非危险和危险固体废物的法律框架。LIBs回收的途径可能会受到危险废物法规的约束，并且正如国家可再生能源实验室(NREL)所指出的，“联邦危险废物法律法规是最严格的，其中包括对产生、处理、储存、处理、国内或国际运输，以及危险废物的处置。在回收之前积累、储存或处理的锂离子电池可能会受到危险废物法的约束。”如前所述，LIBs有可能着火和爆炸，因此需要小心储存；此外，铅酸电池回收的历史以及锂离子电池(包括镍和钴)的大量金属含量使其在危险废物法规下进行处理这一举措是明智的。除了危险废物法外，联邦政府还支持开发改进电池设计和回收利用的技术，例如美国能源部的ReCell中心。

虽然没有专门针对LIBs回收的州或地方法律，但许多州都有管理铅酸和其他电池回收的法规。例如，加利福尼亚州针对可充电电池回收制定了铅酸回收法规和EPR(生产者延伸责任)法规。加利福尼亚州和纽约州都要求零售商对客户退回的电池进行回收利用。此外，当地和州的危险废物法可能会管理电池材料；正如NREL所指出的，“在某些州，对违反危险废物法律或法规的处罚比联邦处罚更为严厉。”LIBs制造和使用的增加使得有必要制定特定于LIBs的回收法。对电池回收法规的框架进行了讨论。其中，它提出联邦法律比州或地方法律(更容易被规避)更有可能起到作用，且法规可能需要适当的灵活性(因为LIBs技术尚不成熟)，并应包含EPR，同时LIBs回收方法的研究应继续由联邦政府资助。最后，鼓励电池的重复使用(特别是在固定应用中)应作为实现循环电池经济的中间步骤。最近，美国国家电气制造商和阿贡实验室签署了一份协议备忘录，以制定LIBs的回收标准。相比铅酸电池，将LIBs回收的需求与其他要求结合到LIBs的设计和制造中可能会使LIBs的回收更加有效和经济可行。

欧洲的LIBs回收发展现状

在欧洲，存在多种回收政策框架。目前，欧盟尚无管理LIBs回收的法规，但有一个法规草案已被提议。拟议的法规为电池(特别是LIBs)的设计、销售、使用和回收提供了一个全面的框架。根据该协议，制造商必须提供电池的耐用性和性能数据，并对电池材料的来源负责。该法规规定了电池制造商、用户和回收商的责任。它还要求“电池通行证”，以帮助最终用户知道电池包含什么、材料来自哪里以及它们对环境的影响，以便监控它们的再利用和回收。该规则规定了回收商的回收效率和材料回收率以及目标收集率。最后，这些规则还确定了LIBs的再利用和再制造标准。这些规则旨在为欧盟提供环境和材料安全；然而，对开放式设计、公共材料成分和供应链核算的要求可能会使欧洲电池制造商处于不利地位。这项规定目前尚未正式颁布。

欧盟和欧洲的各个国家对LIBs回收利用也有不同的政策。英国没有针对LIBs的明确规定，政府曾建议建议对电池回收和电池租赁征税或补贴，但并未实际实施任何规则。另一方面，正如Wu等人在一篇关于LIBs回收的评论中指出的那样，德国有一个针对LIBs回收的监管框架。《德国回收法》、《电池回收法》和《废汽车回收法》明确了制造商、消费者和回收商的回收责任。此外，与美国一样，德国也资助了与电池回收相关的研究。

亚洲的LIBs回收发展现状

亚洲国家对LIBs回收的重视程度和实施方法各不相同。我国已经制定了各种法规和政策来处理固体和危险废物。早期的电池法规主要集中在铅酸电池上，因为它们无处不在，且铅的毒性已知。后来，随着LIBs变得越来越普遍，监管规定也将其纳入。该法规涵盖了锂电池制造、收集和回收的许多方面，并分配了责任，以创建一个综合系统来管理使用过的电池。表1和表2列出了我国关于LIBs回收的许多法规和政策。我国法规能为废旧LIBs的管理提供一个蓝图。一些规定还直接影响到中国境外的LIBs回收利用。特别是2017年颁布的《关于全面禁止固体废物进口有关事项的通知》，限制了特定类别废物的进口；然而，在2020年，该禁令扩大到所有从其他国家进口的废物。正如铅酸电池回收，许多电池(和其他可能回收的材料)已从美国和欧洲出口到劳动力成本较低的国家。因此，该规则意味着要么LIBs回收必须从我国转移到劳动力成本相似的其他国家，要么各国必须发展内部回收基础设施。运输成本可能是电池回收成本的重要组成部分，因此我国的固体废物禁令可能会推动其他国家当地LIBs回收的发展。

在日本，基本法、综合法和特殊法都对电池回收进行了规范。新车制造商被分配到对电池的责任，并且必须保持对电池回收技术的了解，才能将其纳入回收过程。在日本，一个非营利组织(JBRC日本便携式电池回收中心)对日本的电池回收进行管理。此外，还存在一个项目，积极推动将电池重新用于家庭应急电源。印度对电子废物有规定，但LIBs在印度的任何报废处理或回收的框架中都没有被提及。由于我国政策不接受其他国家的废物出口，因此缺乏LIBs回收框架是印度的担忧，这使其成为电池回收废物的潜在目的地。澳大利亚没有LIBs相关的回收政策。

表1. 我国有关LIBs回收利用的法规。

表2.我国有关LIBs回收利用的政策。

【结论展望】

综上所述，锂离子电池法规试图在最大限度地减少LIBs回收造成的环境和安全成本的同时，极大的减少锂离子电池使用和制造产生的经济后果，以促进技术进步。许多国家已投入大量精力开发LIBs回收技术。在亚洲，特别是我国和日本，已经制定了各种法规和政策来回收LIBs。在欧洲，在未来可能会制定一个全面的监管框架来管理电池制造、标签、再利用和回收，并刺激技术发展。然而，在美国和印度等其他国家/地区，监管方面几乎没有发展。虽然锂离子电池的制造随着其在运输中的使用增加而增加，但电池设计和使用之间的技术差异以及该领域缺乏成熟技术限制了具体法规的制定。因此，有必要对LIBs的生产者责任延伸规定，以使电池回收有效且经济；分配回收责任，同时允许执行过程具有一定灵活性，这将有助于适应技术发展，同时确保回收设施所需的接纳量。虽然LIBs回收技术主要在有严格回收规定的地方发展，但未来的发展似乎受法规、安全获取电池材料的期望、经济发展以及管理LIBs回收的需要所推动。

Robert Bird*, Zachary J. Baum, Xiang Yu and Jia Ma，The Regulatory Environment for Lithium-Ion Battery Recycling，ACS Energy Lett., 2022，DOI: 10.1021/acsenergylett.1c02724