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核心觀點：在美國內(nèi)華達(dá)州等地，企業(yè)家們期待著即將到來的電動汽車鋰離子電池報廢熱潮，并希望為回收的礦物創(chuàng)造一個市場。
向內(nèi)華達(dá)州里諾市以東30行駛英里，經(jīng)過布滿灰塵、點綴著淡藍(lán)色鼠尾草的山丘和偶爾出現(xiàn)的人身傷害律師廣告牌，一座巨大的混凝土建筑赫然聳立在沙漠中。完全建成后，它將成為一項商業(yè)的試點，企業(yè)家們將其視為美國未來綠色經(jīng)濟(jì)的一個重要方面：鋰離子電池回收。
建筑經(jīng)理查克·萊伯指出了卡車卸下電池的區(qū)域，以及房間里用來收集泄漏化學(xué)品的深層排水管。他向我展示了建筑下方的兩英尺厚的混凝土板，這是一個堅實的地基，以便工人們移動設(shè)備和調(diào)整廠房，從而改進(jìn)回收過程。今年晚些時候，第一批電池將在這里進(jìn)行處理，最終目標(biāo)是逐步提高到每年處理2萬噸電池。
這座占地6萬平方英尺的工廠由美國電池技術(shù)公司所擁有，這是一項積極的探索，旨在解決電動汽車帶來的環(huán)境問題——生產(chǎn)它們的電池組需要大量的資源。這也是在考驗商業(yè)領(lǐng)袖能否兌現(xiàn)他們幫助建立循環(huán)經(jīng)濟(jì)的承諾：在循環(huán)經(jīng)濟(jì)中，材料可以無限期地重復(fù)使用，最大限度地減少從地球上不斷開采更多礦物的需求。
自2019年以來，電動汽車在汽車市場上的份額增加了兩倍多，2021年全球銷量達(dá)到660萬輛。在降低氣候影響的壓力及直接的監(jiān)管下，許多汽車制造商已經(jīng)承諾在2040年前停止銷售新的燃油汽車?！拔覀兊哪繕?biāo)是在五年內(nèi)讓數(shù)千萬輛電動汽車上路，”可持續(xù)發(fā)展咨詢公司Anthesis Group的亞歷山大·米洛瓦諾夫說，他研究了電動汽車轉(zhuǎn)型將如何影響美國的電網(wǎng)，“我們談?wù)摰氖且粋€正在爆炸式增長的市場?！?
為了滿足不斷增長的電動車電池需求，美國政府和企業(yè)正在投資國內(nèi)所需礦物的開采——包括鎳、錳、鈷和鋰（其價格在2021年增長到四倍多）。他們同時也在尋找方法，通過回收利用來減少對新開采材料的依賴。2022年3月，美國總統(tǒng)喬·拜登援引《國防生產(chǎn)法》來增加高需求礦物的供應(yīng)，引導(dǎo)國內(nèi)對采礦和其他形式的回收進(jìn)行投資。
美國電池技術(shù)公司希望在內(nèi)華達(dá)州費(fèi)恩利建造一座占地6萬平方英尺的鋰離子工廠，以加速國內(nèi)的電池回收。（圖源：美國電池技術(shù)公司）
研究人員表示，解決回收利用問題有助于避免持續(xù)采礦和有害電池廢棄物積累帶來的環(huán)境風(fēng)險，然而對這些電池進(jìn)行再加工和提煉其中的金屬以供重復(fù)使用既困難又昂貴，而且許多人仍然懷疑這種電池供應(yīng)鏈能否持續(xù)運(yùn)作。“電動汽車電池是一項高度復(fù)合的技術(shù)，其中包含許多不同的組件，因此回收設(shè)施將會非常復(fù)雜，”加州大學(xué)河濱分校的地質(zhì)學(xué)家邁克爾·麥吉本說，“從長遠(yuǎn)來看，這很重要；但從短期來看，它還有很長的路要走?！?
提取特定礦物
為了給汽車供電，電池中的電子從負(fù)極（即陽極）移動到正極（陰極）。通常情況下，陽極由銅和石墨制成，而陰極由一類稱為鋰金屬氧化物的化合物組成，含有鋰以及鈷、錳和鎳等其他金屬。
所有這些金屬都必須提取出來，而且僅靠回收還不能滿足市場需求。盡管美國有很多銅礦（并從廢品回收中獲得相當(dāng)大一部分銅），但鋰離子電池中幾乎所有的其他金屬都來自其他國家的礦區(qū)。全球80%以上的鋰來自智利、澳大利亞和中國，而60%以上的鈷來自剛果民主共和國。
這種對海外市場的依賴可能伴隨著代價。例如，如今開采的大部分鋰來自智利脆弱的阿塔卡馬沙漠，那里通過在大型池塘中蒸發(fā)鹽水來提取鋰。這種方法具有成本效益，但研究人員和當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)對有毒廢棄物以及水資源枯竭和污染表示擔(dān)憂；據(jù)估計，提取1噸鋰需要50萬加侖的水，其中大部分被蒸發(fā)掉。在一些地區(qū)，開采電池金屬也與侵犯人權(quán)有關(guān)，例如剛果民主共和國的鈷礦，那里的公司被指控使用童工、支付低薪以及未提供基本的安全設(shè)施。
電動汽車由大型電池組提供動力，電池組由數(shù)千個單獨的電池組成。每個電池包含四個主要部件：負(fù)極（陽極）、正極（陰極）、電極之間的塑料隔板，以及供鋰離子流動的電解液。生產(chǎn)這些部件需要消耗大量的能量和材料，尤其是陰極。
材料的長途運(yùn)輸還會產(chǎn)生溫室氣體：在有人坐上全新電動汽車的駕駛座之前，一些電動汽車電池材料在運(yùn)輸途中已經(jīng)旅行了數(shù)萬英里。（盡管如此，除了少數(shù)例外，電動汽車的碳足跡仍比燃油車要小，因此電氣化交通是減少碳排放、避免災(zāi)難性氣候變化的關(guān)鍵。）
目前，采礦仍然是必要的，研究人員認(rèn)為可以通過本土運(yùn)營和新技術(shù)來減小其影響。但他們表示，改進(jìn)回收利用技術(shù)和商業(yè)模式也至關(guān)重要。經(jīng)過數(shù)千次的充放電后，鋰離子電池的電極單元就會耗盡，正極材料就會出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)致電池?zé)o法儲存和提供足夠的電量。數(shù)以百萬計的電動汽車電池很快就會達(dá)到這種損耗程度，如果將它們存放在垃圾場，它們可能會滲出有毒化學(xué)物質(zhì)，甚至?xí)鸹?。少?shù)幾家美國公司回收電池進(jìn)行再利用，但產(chǎn)能遠(yuǎn)低于從汽車、手機(jī)、電腦和其他電子產(chǎn)品中回收鋰離子電池的產(chǎn)能。2019年，美國回收公司從垃圾填埋場轉(zhuǎn)化了約15%的報廢鋰離子電池。
回收利用所面臨的挑戰(zhàn)
盈利能力是一個主要障礙。盡管鋰離子電池中含有有價值的金屬，但很難把它們拆開，從一層層緊密堆疊的無機(jī)和有機(jī)化合物中提取礦物。據(jù)一項研究估計，回收鋰的成本是鹵水開采原始鋰的五倍。相比之下，燃油車上的鉛酸電池幾乎完全是從垃圾填埋場轉(zhuǎn)化和回收的。“與鋰離子電池相比，回收鉛酸電池非常容易，”地質(zhì)學(xué)家詹斯·古茲曼說，他是德國亥姆霍茲弗萊貝格資源技術(shù)研究所的所長，也是《材料科學(xué)研究前沿進(jìn)展年鑒》上一篇關(guān)于構(gòu)建循環(huán)金屬經(jīng)濟(jì)的文章的合著者。
組成鋰離子電池的礦物來源于世界各地，其中一些來源于環(huán)境和勞工標(biāo)準(zhǔn)相對較差的國家。上圖給出了一些主要電池礦物的主要來源。
另一個問題是，目前主要的鋰離子電池回收工藝也不是特別高效。許多回收商使用火法冶金工藝，需要熔化電池和燒掉塑料隔板以提取目標(biāo)金屬?；鸱ㄒ苯鹗悄茉疵芗偷?，會排放有毒氣體，而且根本無法回收包括鋰在內(nèi)的一些有價值的礦物。
隨著電動車銷售額不斷增長，大規(guī)模的電動車電池報廢潮將很快加劇回收問題。研究人員預(yù)測，到2028年，全世界將有超過100萬噸的電池需要處理。倫敦大學(xué)國王學(xué)院的材料科學(xué)家勞拉·蘭德說：“我喜歡把它與塑料行業(yè)進(jìn)行比較——我們有很多塑料垃圾，而人們并沒有真正面對這個問題——我只是擔(dān)心這種情況也會發(fā)生在電池上?！倍鶕?jù)澳大利亞悉尼科技大學(xué)可持續(xù)未來研究所撰寫的一份報告，如果能夠?qū)崿F(xiàn)盈利，那么到2040年，實現(xiàn)規(guī)?；厥针妱榆囯姵乜梢詫⑷?qū)π麻_采的鋰的需求減少25%，對鈷和鎳的需求減少35%。
美國能源部的ReCell中心正在努力改善電池回收過程，該中心由國家實驗室和大學(xué)合作，于2019年啟動。在這里，研究人員正在努力擴(kuò)大所謂的“直接回收”的規(guī)模。這種方法旨在更好地回收陰極材料，它是一種精心制造的粉末，而熔化或溶解整個電池會破壞它。阿貢國家實驗室和ReCell中心的材料科學(xué)家阿爾伯特·里普森說：“他們投入了大量的時間和精力來制造這些漂亮的直徑約為10微米的球形顆粒，它們具有正確的晶體結(jié)構(gòu)。”
里普森的研究團(tuán)隊開發(fā)了一種化學(xué)工藝，能夠成功回收陰極粉末，然后通過添加新的鋰使其重獲新生，恢復(fù)原電池老化時失去的充電能力。與其他使用能源密集型步驟重新制造陰極材料的回收工藝相比（這些方法中有一個步驟需要將材料投入巨大的熔爐中），直接回收方法可以提升回收電池組件的利潤，同時減少溫室氣體排放。ReCell的直接回收方法目前只在實驗室規(guī)模的批次中進(jìn)行，但里普森說他的團(tuán)隊正在與公司合作擴(kuò)大該方法的規(guī)模。
在智利的阿塔卡馬沙漠，鋰礦開采業(yè)使用巨大的蒸發(fā)池來濃縮和提取鋰。這種做法不僅會對環(huán)境造成較大的干擾，還導(dǎo)致了人們對水資源枯竭和污染的擔(dān)憂。（圖源：REUTERS / ALAMY STOCK PHOTO）
電池回收初創(chuàng)公司主要使用一種叫做濕法冶金的技術(shù)，將電池溶解在酸中，然后用溶劑來提取礦物質(zhì)。盡管濕法冶金并不是什么新鮮技術(shù)，但美國電池技術(shù)公司、紅木材料公司等回收公司均表示，他們正在提高濕法冶金的效率，回收的材料也比過去更多。這兩家公司都位于內(nèi)華達(dá)州北部，且都由前特斯拉工程師領(lǐng)導(dǎo)。
美國電池技術(shù)公司的負(fù)責(zé)人瑞安·梅爾塞特說，他在特斯拉的超級工廠（位于內(nèi)華達(dá)州斯帕克斯郊外的一座組裝電池的巨型工廠）的工作經(jīng)歷啟發(fā)他提出了改進(jìn)回收技術(shù)的方法。他的公司不會像老式的濕法冶金回收那樣粉碎電池，而是使用機(jī)器分解廢舊電池，將塑料、鋁和鋼等低價值部件分離并出售，然后通過專利化學(xué)反應(yīng)提取鎳、鈷、錳和鋰。
梅爾塞特說：“我們的團(tuán)隊不會僅僅把電池扔進(jìn)爐子或粉碎機(jī)，而是基本上采用了許多為制造電池而開發(fā)的技術(shù)，以相反的順序進(jìn)行操作?！彼f，該工藝可以回收90%以上的高價值元素。
從汽車中獲取電池
然而，為了回收電池，這些初創(chuàng)公司首先要確保這些電池組能夠被送到他們的工廠——這本身就是一個挑戰(zhàn)，因為目前處理報廢汽車的工廠沒有針對電動汽車的規(guī)范流程，包括如何處理電池。梅爾塞特表示，他的公司希望與通用汽車、福特和斯特蘭蒂斯（擁有道奇、吉普和瑪莎拉蒂等多個品牌）建立新的合作關(guān)系，以確保在汽車以舊換新時，電池將被送去回收利用。而紅木材料公司已經(jīng)宣布與大眾、豐田、福特和其他汽車制造商在電池收集和回收方面開展合作。
我和建筑經(jīng)理萊伯在美國電池技術(shù)公司未來的回收設(shè)施中穿行，他向我展示了成品倉庫的位置，就在卡車卸貨點對面的大樓里。在第一階段的運(yùn)營中，這些成品將由“黑色物質(zhì)”組成，這是一種易碎的貴重金屬混合物，將被出售給冶煉公司進(jìn)行進(jìn)一步精煉，然后轉(zhuǎn)售給電池制造商。最終，該公司計劃增加第二階段，就地將這種混合物進(jìn)行精煉，分別提取各種礦物。
國際能源署預(yù)計，為了實現(xiàn)將全球氣溫上升幅度控制在遠(yuǎn)低于2攝氏度（可持續(xù)發(fā)展方案）的碳排放削減目標(biāo)，針對幾種關(guān)鍵礦物的需求將會激增。如果各國只是按照目前的承諾（既定政策）采取行動，需求同樣會增加，只是增速較小。
美國電池技術(shù)公司、紅木材料公司、再提取技術(shù)公司和加拿大的鋰循環(huán)公司構(gòu)成了美國電動汽車電池回收產(chǎn)能的四大支柱，它們在網(wǎng)站上展示的愿景表明，它們正在努力建立一個無限可回收的供應(yīng)鏈。但電池礦物真的可以無限重復(fù)使用嗎？米洛娃諾夫和古茲曼等專家表示，由于勞動力成本和能源需求等障礙，這是不太可能的。但里普森說，只要經(jīng)濟(jì)上可行，在技術(shù)上還是有可能實現(xiàn)規(guī)模化，回收電池中90%以上的鋰、鈷、鎳和銅。
歸根結(jié)底，電池回收的成功取決于它能否足夠便宜。負(fù)責(zé)任采礦保證倡議聯(lián)盟的執(zhí)行董事艾梅·布蘭格表示，即使技術(shù)有所改進(jìn)，回收商也可能難以使他們的產(chǎn)品在成本上與原始礦物競爭。該組織與企業(yè)合作，改善采礦項目的環(huán)境和勞工標(biāo)準(zhǔn)。可能還需要有激勵措施和法規(guī)：在歐盟，監(jiān)管機(jī)構(gòu)已經(jīng)提出了可持續(xù)電池的指導(dǎo)方針，其中包括要求電池中含有一定比例的回收材料。
梅爾塞特很樂觀。他認(rèn)為，由于現(xiàn)在大多數(shù)電池礦物都是在國際上開采的，原始礦物的運(yùn)輸和進(jìn)口成本將使本土回收材料具有競爭力，這一計算得到了一些研究的支持。他希望大約再過兩年，就開始建設(shè)一個規(guī)模更大的工廠，以跟上不斷增長的電動汽車銷量。由于市場對礦物的需求超過了目前回收所能提供的量，他的公司還擁有內(nèi)華達(dá)州中部的鋰礦開采產(chǎn)業(yè)的股份。
“一些世界上最大的公司正在盡可能多地購買回收的電池金屬，”他說，“現(xiàn)在的挑戰(zhàn)是誰能最快實現(xiàn)規(guī)?；??！?
譯名對照表：
Reno 里諾市
Nevada 內(nèi)華達(dá)州
Chuck Leber 查克·萊伯
American Battery Technology Company 美國電池技術(shù)公司
Alexandre Milovanoff 亞歷山大·米洛娃諾夫
Joe Biden 喬·拜登
Defense Production Act 《國防生產(chǎn)法》
Michael McKibben 邁克爾·麥吉本
University of California, Riverside 加州大學(xué)河濱分校
Atacama Desert 阿塔卡馬沙漠
Jens Gutzmer 詹斯·古茲曼
Helmholtz Institute Freiberg for Resource Technology 亥姆霍茲弗萊貝格資源技術(shù)研究所
Annual Review of Materials Research 《材料科學(xué)研究前沿進(jìn)展年鑒》
King’s College London 倫敦大學(xué)國王學(xué)院
Laura Lander 勞拉·蘭德
University of Technology Sydney 悉尼科技大學(xué)
Albert Lipson 阿爾伯特·里普森
Hydrometallurgy 濕法冶金
Redwood Materials 紅木材料公司
Ryan Melsert 瑞安·梅爾塞特
Stellantis 斯特蘭蒂斯集團(tuán)
Aimee Boulanger 艾梅·布蘭格
Retriev Technologies 再提取技術(shù)公司
Life-Cycle 鋰循環(huán)公司
