电动车真的更环保？Science：必须在2030以前解决锂电池污染问题

留给科学家们研究如何回收锂电池的时间不多了。

为了达到「碳中和」的目标，全球各个国家和地区都在积极推广新能源电动车。然而在「零排放」的同时，电池回收成为了一个亟待解决的难题。在最新一期《科学》杂志中，研究者们对于如何回收锂电池的问题进行了探讨。

十到十五年后，数百万辆电动车就将寿命到期，传统汽车的铅酸电池能被广泛回收利用，但新能源电动车的锂离子电池，看起来却不太好办。

Tesla Model S 的电池组是一项复杂的工程。成千上万个原料来自世界各地的圆柱形电池，将锂元素和电子转化为足够的能量，让汽车能够不排放尾气行驶。但是，当电池到达寿命时，新能源车便不再环保。在进入垃圾场后，电池会释放出各种有毒成分，包括重金属。莱斯特大学的材料科学家 Dana Thompson 警告道：「回收电池可能是一项危险的工作。」分割特斯拉电池时，太深或错误的位置，都可能会导致短路、燃烧、有毒烟雾的释放。

而这仅仅是 Thompson 等研究人员面临的众多问题之一。他们正在面对一个更紧急的问题：如何回收制造商期望在未来几十年内生产的数百万辆电动汽车（EV）电池。英国研究电池问题的研究中心 Faraday Institution 的研究人员 Thompson 说：「当前的 EV 电池实际上并非旨在回收利用。」

当电动汽车很少见时，这并不是什么大问题。但是现在技术正在起飞，几家汽车制造商表示，他们计划在几十年内逐步淘汰内燃机。而且行业分析师预测，相比去年的 1100 万辆，到 2030 年，至少有 1.45 亿辆电动汽车将上路行驶。Thompson 说：「人们开始意识到这是一个问题。」

政府也在监督一定程度的回收利用。2018 年，中国实施了旨在促进电动汽车电池组件再利用的新法规。欧盟有望在今年最终确定其首个要求。在美国，联邦政府尚未提高回收要求，但包括美国最大的汽车市场加利福尼亚在内的几个州正在探索制定自己的法规。

只靠立法就解决问题是不现实的。各种电池的化学和构造差异很大，所以很难创建有效的回收系统。而且电池间经常靠黏力极强的胶粘在一起，这使它们非常难以分解。还有经济上的障碍，对于电池制造商来说，购买新鲜开采的金属通常要比使用再生材料便宜多了。

研究人员指出，更好的回收方法不仅可以防止污染，而且可以通过增加关键电池金属的供应来帮助政府提高经济和国家安全。「一方面，处置 EV 电池是废物管理问题；另一方面，这是可持续二次生产关键性材料的机会，」伯明翰大学研究电动汽车政策问题的研究员 Gavin Harper 说。

为了快速启动回收，政府和行业正在将资金投入到一系列研究计划中。美国能源部（DOE）已向 ReCell 中心注资 1500 万美元，以协调学术界、工业界、政府实验室的科学家进行研究。英国支持了一个多机构参与的的 ReLiB 项目。DOE 的 Argonne 国家实验室负责电池回收的 Linda Gaines 说：「随着 EV 行业的蓬勃发展，我们要尽早使这一切运转起来。」

电动电池的构造有点像套娃。通常，一个主包包含几个模块，如下图所示，每个模块都由许多较小的单元构成。在每个单元内部，锂原子穿过电解质在石墨阳极和由金属氧化物组成的阴极片之间移动。电池通常由阴极中的金属定义，主要有三种类型：镍钴铝、磷酸铁、镍锰钴。

现在，回收商的主要目标是阴极上价格高昂的金属（例如钴和镍）。锂和石墨对于回收来说太便宜了，以至于利润不够高。但是由于数量少，找到并回收这些金属难如大海捞针。

废旧电池的新生命

科学家们正在努力确保现在出售的电动汽车（EV）电池能够在 2030 年及以后回收，毕竟届时每天都将用尽成千上万的电池。EV 电池有多种设计，但通常组件是共享的。在 EV 电池包内部，电气组件管理着数十个模块的充电和稳定性。

为了提取这些金属，回收商依赖于两种技术：「火法冶金」和「湿法冶金」。

其中「火法冶金」更为常见：回收者首先将电池进行机械粉碎，然后进行燃烧从而留下一堆烧焦的塑料、金属、胶水，最后使用包括进一步燃烧的几种方法来提取金属。Gaines 说：「从本质上说，Pyromet 就像对待矿石一样对待电池。」

而「湿法冶金」是将电池材料浸入酸池中从而产生金属负载的汤，有时会结合使用这两种方法。

每种方法都有其优点和缺点。比如，「火法冶金」不需要回收者知道电池的设计或成分，甚至不需要知道电池是否已完全放完电就可以安全地进行，但作为代价能源消耗很大。

而「湿法冶金」可以提取不易通过燃烧获得的材料，但其中可能涉及对健康有危害的化学物质，而且从研究人员的化学汤中回收想要的元素是很困难的。研究人员为此正在试图寻找能够溶解某些电池金属但以固体形式保留其他金属的化合物。Thompson 已经确定了一种候选物，即一种被称为深共熔溶剂的酸碱混合物它能溶解除镍以外的所有物质。

研究表明，这两种方法都会产生大量废料并排放温室气体，且其商业模式也不太靠谱。大多数回收商都是依靠出售回收的钴来获得收入，可是电池制造商正在逐步摆脱这种昂贵的金属。难道以后回收商要靠「出售废料」创收吗？

理想情况是直接回收利用，这样就能让阴极混合物保持完整。Gaines 指出，这对电池制造商来说极具吸引力，因为回收过程不需要大量处理工作。因此，从循环经济角度考虑，直接回收利用比起火法或湿法冶炼要轻松得多。

在直接回收过程中，工人首先要吸走电解液并切碎电池，然后通过加热或溶剂去除粘合剂，并使用浮选技术分离阳极和阴极材料。这时候正极材料看上去很像婴儿爽身粉。

到目前为止，直接回收实验的只面向单个电池，仅能产生数十克的阴极粉末。但是美国国家可再生能源实验室的研究人员已经搭建了经济模型，证明该技术在适当的条件下扩大规模的可行性。

但在直接回收过程中，电池制造商、回收商、研究人员都需要解决很多问题。首先是确保制造商给电池贴上标签，以便让回收商知道他们要处理的是哪种电池，以及阴极金属是否具有任何价值。鉴于电池市场瞬息万变，如今制造的阴极将来未必能找到未来的买家。

另一项挑战是如何有效打开 EV 电池。日产的矩形 Leaf 电池模块可能需要两个小时拆卸，特斯拉的电池尤其独特，除了是圆柱形的，还有聚氨酯水泥将其固定在一起，几乎「坚不可摧」。

研究人员提到，工程们可能制造出加快电池拆卸速度的机器人，但进入电池内部后仍存在粘性问题，因为此前用了大量胶水将阳极、阴极和其他组件固定在适当的位置。回收商用来溶解粘合剂的溶剂是有毒的，且受到欧盟的使用限制，去年，美国环境保护署也确定这一溶剂会对工人造成「不当风险」。

莱斯特大学化学家兼汤普森大学顾问 Andrew Abbott 表示：「从经济层面来说，必须要拆卸 EV 电池，一旦拆卸，就必然要用到胶水。」

为了简化这一过程，来自 Thompson 及其他机构的研究者敦促电动汽车和电池制造商在设计产品时就加入对回收利用的考量。Abbott 说，理想中的电池应该像圣诞爆竹，当收到的人将两端拉开，糖果等礼物就露了出来。他提到了去年比亚迪发布的磷酸铁锂刀片电池，其包装取消了模块组件，而是将单体电池直接存储在内部，用手即可取出，再不必为电线及胶水困扰。

2018 年，中国要求电动汽车制造商确保电池的可回收利用，这也是刀片电池诞生的大背景。目前，中国使用火法和湿法冶金方法回收的锂离子电池数量超过世界其他地区的总和。

同样采取类似政策的其他国家还面临着一些棘手问题，其中之一就是「谁承担回收的责任」。这一责任是属于购买了电动汽车的消费者，还是属于制造并出售电池的制造商？

同时，高效地电池回收不只依靠技术进步。长距离或跨境运输可燃物品的高成本都会阻碍回收。因此，在正确的位置建立回收中心会产生「巨大影响」，但真正的挑战在于系统集成，以及将所有这些不同的研究领域整合在一起。

「留给我们的时间不多了。人们绝对不想要一块能用 10 年但拆不开的电池。这情形尚未发生，但人们都在担心真正发生后的样子。」Abbott 表示。

产业锂电池电动汽车Science