内华达州企业家期待电动汽车锂离子电池报废热潮，推动回收市场发展

内华达州企业家期待电动汽车锂离子电池报废热潮，推动回收市场发展

作者：乌拉

翻译｜赵金宇

校对：Maya Blue

关键点：在内华达州等地，企业家们预计电动汽车废旧锂离子电池将迎来一波热潮，并希望为回收矿物创造一个市场。

从内华达州里诺向东驱车 30 英里，穿过点缀着淡蓝色鼠尾草的尘土飞扬的山丘，偶尔会看到人身伤害律师的广告牌，一座巨大的混凝土建筑耸立在沙漠中。建成后，它将成为企业家们认为是美国未来绿色经济的关键业务的试点：锂离子电池回收。

建筑经理查克·莱伯 (Chuck Leber) 指出了卡车卸下电池的区域，以及收集泄漏化学物质的房间深排水沟。他向我展示了建筑下方两英尺厚的混凝土板，这是一个坚实的基础，工人们可以利用它移动设备并对工厂进行调整，以改善回收过程。第一批电池将于今年晚些时候在这里加工，最终目标是逐步增加到每年 2 万吨。

这座占地 6 万平方英尺的工厂归特斯拉所有，旨在积极应对电动汽车带来的环境问题——生产电池组需要大量资源——同时也考验着企业领导人是否能兑现承诺，帮助建立循环经济，在这种经济中，材料可以无限期地重复使用，最大限度地减少不断从地球上开采更多矿物的需要。

自 2019 年以来，电动汽车在汽车市场的份额增长了两倍多，2021 年全球销量达到 660 万辆。在减少气候影响的压力和直接监管下，许多汽车制造商已承诺到 2040 年停止销售新的汽油车。该集团的亚历山大·米洛瓦诺夫 ( ) 表示：“我们的目标是在五年内让数千万辆电动汽车上路。”他研究过电动汽车转型将如何影响美国电网。“我们谈论的是一个爆炸式增长的市场。”

为了满足日益增长的电动汽车电池需求，美国政府和企业正在投资国内开采所需矿物，包括镍、锰、钴和锂（2021 年这些矿物的价格上涨了三倍多）。他们还在寻找通过回收减少对新开采材料依赖的方法。2022 年 3 月，美国总统乔·拜登援引《国防生产法》增加高需求矿物的供应，并直接在国内投资采矿和其他形式的回收。

该公司希望在内华达州费恩利建造一座占地 60,000 平方英尺的锂离子工厂，以加速国内电池回收。（来源：）

研究人员表示，解决回收问题可能有助于避免持续开采和有害电池废物堆积带来的环境风险，但重新加工这些电池并提取其中的金属以供再利用既困难又昂贵，许多人仍然怀疑电池供应链能否继续运转。加州大学河滨分校地质学家迈克尔·麦克吉本 ( ) 表示：“电动汽车电池是一项高度复杂的技术，包含许多不同的组件，因此回收设施将非常复杂。从长远来看，这很重要，但从短期来看，还有很长的路要走。”

提取特定矿物

为了给汽车提供动力，电池中的电子从负极（阳极）移动到正极（阴极）。通常，阳极由铜和石墨制成，而阴极则由一类称为锂金属氧化物的化合物制成，这些化合物不仅含有锂，还含有钴、锰和镍等其他金属。

所有这些金属都必须开采，仅靠回收不足以满足市场需求。虽然美国有许多铜矿（其中很大一部分铜来自废料回收），但锂离子电池中的几乎所有其他金属都来自其他国家的矿山。全球 80% 以上的锂来自智利、澳大利亚和中国，而 60% 以上的钴来自刚果民主共和国。

这种对海外市场的依赖可能会付出代价。例如，目前开采的大部分锂来自智利脆弱的阿塔卡马沙漠，锂是通过在大型池塘中蒸发盐水提取的。这种方法成本效益高，但研究人员和当地社区对有毒废物和水资源枯竭和污染表示担忧；据估计，提取 1 吨锂需要 50 万加仑的水，其中大部分都会蒸发。在一些地区，电池金属的开采也与侵犯人权有关，例如刚果民主共和国的钴矿，那里的公司被指控使用童工、支付低工资，并且未能提供基本的安全设施。

电动汽车由由数千个独立电池组成的大型电池组提供动力。每个电池包含四个主要组件：负极（阳极）、正极（阴极）、电极之间的塑料隔膜以及锂离子流经的电解质。生产这些组件需要大量的能源和材料，尤其是阴极。

材料的长途运输也会产生温室气体：一些电动汽车电池材料在运输过程中要经过数万英里，才会有人驾驶一辆全新的电动汽车。（不过，除了少数例外，电动汽车的碳足迹比汽油车要小，因此电气化交通是减少碳排放和避免灾难性气候变化的关键。）

就目前而言，采矿仍然是必要的，研究人员认为，通过本地作业和新技术可以减少其影响。但他们表示，改进回收技术和商业模式也至关重要。锂离子电池经过数千次充电和放电循环后，电极单元会耗尽，正极材料会出现裂缝，使电池无法储存和输送足够的电量。数百万个电动汽车电池很快就会达到这种损耗程度，如果将它们存放在垃圾填埋场，可能会渗出有毒化学物质，甚至会起火。少数美国公司回收电池以供再利用，但其产能远远低于从汽车、手机、电脑和其他电子产品中回收锂离子电池的能力。2019年，约有15%的报废锂离子电池被从垃圾填埋场转移出去。

回收的挑战

盈利能力是一个主要障碍。尽管锂离子电池含有有价值的金属，但很难将它们分开并从紧密堆叠的无机和有机化合物层中提取矿物质。一项研究估计，回收锂的成本是从盐水中开采原始锂的五倍。相比之下，燃气汽车中的铅酸电池几乎完全从垃圾填埋场转移和回收。“与锂离子电池相比，回收铅酸电池非常容易，”德国亥姆霍兹资源技术研究所弗赖贝格分所所长、《材料科学研究前沿进展年鉴》上关于建立循环金属经济的文章的合著者、地质学家 Jens 说。

构成锂离子电池的矿物来自世界各地，其中一些来自环境和劳工标准相对较差的国家。上图显示了一些主要电池矿物的主要来源。

另一个问题是，目前主流的锂离子电池回收工艺也不是特别高效。许多回收商使用火法冶金工艺，该工艺需要熔化电池并烧掉塑料隔板以提取目标金属。火法冶金耗能大、排放有毒气体，而且根本无法回收包括锂在内的一些有价值的矿物。

随着电动汽车销量不断增长，大量报废的电动汽车电池很快就会加剧回收问题。研究人员预测，到 2028 年，全球将有超过 100 万吨的电池需要处理。“我喜欢把它比作塑料行业——我们有很多塑料垃圾，而人们并没有真正面对它们——我只是担心这种情况会发生在电池上，”伦敦国王学院的材料科学家 Laura Land 说。而根据澳大利亚悉尼科技大学可持续未来研究所撰写的报告，如果能够盈利，那么到 2040 年，大规模回收电动汽车电池可以使全球对新开采的锂的需求减少 25%，对钴和镍的需求减少 35%。

美国能源部中心正在努力改进电池回收过程，该中心是国家实验室和大学于 2019 年启动的合作项目。在这里，研究人员正在努力扩大所谓的“直接回收”规模。这种方法旨在更好地回收阴极材料，阴极材料是精心制造的粉末，而熔化或溶解整个电池会毁坏它。阿贡国家实验室和该中心的材料科学家阿尔伯特·利普森 ( ) 说：“他们投入了大量的时间和精力来制造这些美丽的球形颗粒，直径约 10 微米，具有正确的晶体结构。”

的研究团队开发了一种化学工艺，可以成功回收阴极粉末，然后通过添加新的锂赋予它们新的生命，恢复原电池老化时丢失的充电容量。与其他使用能源密集型步骤重新制造阴极材料的回收工艺（其中之一需要将材料扔进巨大的熔炉中）相比，直接回收方法可以提高回收电池部件的盈利能力，同时减少温室气体排放。直接回收方法目前仅在实验室规模的批量中进行，但 表示，他的团队正在与企业合作扩大该方法的规模。

在智利的阿塔卡马沙漠，锂矿开采业使用巨大的蒸发池来浓缩和提取锂。这种做法不仅对环境造成极大干扰，还引发人们对水资源枯竭和污染的担忧。（图片来源：/ALAMY STOCK PHOTO）

电池回收初创公司主要使用一种名为湿法冶金的技术，即将电池溶解在酸中，然后使用溶剂提取矿物质。尽管湿法冶金并不是一项新技术，但和等回收公司表示，他们正在提高湿法冶金的效率，回收的材料比过去更多。这两家公司都位于内华达州北部，由前特斯拉工程师领导。

回收部门负责人瑞安·梅尔塞特 (Ryan ) 表示，他在特斯拉超级工厂 (位于内华达州斯帕克斯郊外，是一家组装电池的巨型工厂) 工作的经历启发他想出了一种改进回收技术的方法。他的公司没有像老式湿法冶金回收那样粉碎电池，而是使用机器分解废旧电池，分离和出售塑料、铝和钢等低价值部件，然后通过专利化学反应提取镍、钴、锰和锂。

“我们的团队不是直接把电池扔进熔炉或粉碎机，而是采用许多为制造电池而开发的技术，并以相反的顺序进行处理，”梅尔塞特说。他说，这一过程可以回收 90% 以上的高价值元素。

从车上取下电池

然而，要回收电池，这些初创公司首先必须确保电池组能够到达工厂——这本身就是一个挑战，因为目前处理报废汽车的工厂没有针对电动汽车的标准化流程，包括如何处理电池。梅尔塞特表示，他的公司希望与通用汽车、福特和 （拥有道奇、吉普和玛莎拉蒂等多个品牌）建立新的合作伙伴关系，以确保在汽车交易时，电池将被送去回收。该公司已经宣布与大众、丰田、福特和其他汽车制造商在电池收集和回收方面建立合作伙伴关系。

我和施工经理雷伯一起参观了未来的回收设施，他向我展示了成品仓库的位置，就在卡车卸货处对面的一栋建筑里。在运营的第一阶段，成品将由“黑色物质”组成，这是一种易碎的贵金属混合物，将出售给冶炼公司进行进一步精炼，然后转售给电池制造商。最终，该公司计划增加第二阶段，在现场精炼该混合物，分别提取各种矿物。

国际能源署预测，为实现将全球气温上升幅度控制在 2 摄氏度以下所需的碳减排目标（可持续发展情景），几种关键矿物的需求将激增。如果各国只是按照当前的承诺（既定政策）采取行动，需求也会增加，但增幅会较小。

加拿大公司 Cycle 是美国电动汽车电池回收能力的四大支柱，该公司在其网站上展示了其愿景，表明他们正在努力打造一条可无限回收的供应链。但电池矿物真的可以无限期地重复使用吗？米洛瓦诺夫和古兹曼等专家表示，由于劳动力成本和能源需求等障碍，这不太可能。但利普森表示，只要经济上可行，从技术上讲，扩大规模并回收电池中 90% 以上的锂、钴、镍和铜是可能的。

归根结底，电池回收的成功取决于它是否足够便宜。负责任采矿保证倡议联盟执行董事艾米·布朗热 (Aimee ) 表示，即使技术有所改进，回收商也可能无法使其产品与原生矿物具有成本竞争力。该联盟与企业合作，改善采矿项目的环境和劳工标准。可能还需要激励措施和监管：在欧盟，监管机构已提出可持续电池的指导方针，包括要求电池中含有一定比例的再生材料。

梅尔塞特对此持乐观态度。他认为，由于目前大多数电池矿物都是在国际上开采的，运输和进口原材料的成本将使回收材料具有竞争力，这一计算得到了一些研究的支持。他希望在大约两年内开始建造一座更大的工厂，以跟上不断增长的电动汽车销量。他的公司还拥有内华达州中部锂矿开采业的股份，因为对这种矿物的需求已经超过了回收目前所能提供的量。

“一些全球最大的公司正在尽可能多地收购回收的电池金属，”他说。“现在的挑战是谁能最快实现规模化。”

乌拉 (Ula) 是内华达州里诺的一名科学记者。

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