电动车前方的一大“路障”：报废的锂电池怎么办？（组图）

当公路上燃油汽车内燃机产生的震动和排放的有毒气体正逐渐被电动汽车的平稳和静音所取代之时，我们所熟悉的世界将会发生很多变化。加油站的刺鼻气味将逐渐消失，取而代之的是提供汽车随时可以充电但却无刺鼻气味的充电站。同时，天边随处可见的天然气发电站也可能会重建为能容纳大型电池的电站，这些大型电池有朝一日可以作为再生能源为整个城市提供电力。

电动汽车需求大涨，因而带动锂电池的生产也不断升高，但是如何处理报废旧电池却是一个令人头痛的大问题（Credit: Getty Images）

汽车电气化的到来比我们原想象的要快得多。美国通用汽车2021年年初宣布，计划在2035年前停止销售汽油动力汽车。德国汽车制造商奥迪的目标是到2033年停止生产燃油车，其他大型汽车公司也纷纷跟随。据彭博财经社报道，到2040年，全球三分之二的载人汽车将会是电动车。由于电池储电技术的进步，全球电网的电池储电系统也正在迅速发展。

虽然汽车电气化的到来听来像是实现可持续能源和公路环保旅行最理想不过的路径，但有一个大问题成为实现理想的障碍。目前，通常用于电动车和存储可再生能源的超大容量电池是锂离子电池（简称锂电池），而锂电池很难做到回收利用。

一个原因是，现在广泛适用于传统电池，如铅酸电池的回收技术，无法用于锂电池的回收。锂电池比前者更大和更重、而且构造更复杂，如果拆开方法不当，甚至会有危险。

在一般的电池回收工厂中，电池零件先被粉碎成粉状颗粒，然后再加以熔化（即火法冶金)，或溶解到酸液中（即湿法冶金），以回收其中的金属物。而锂电池则由很多不同的部件组成，如果不小心拆卸，这些部件可能会爆炸。即使锂电池按一般电池作分解，分解出来的产品也很难回收再用。

英国莱斯特大学（University of Leicester）的物理化学家安德鲁·阿伯特（Andrew Abbott）说，“目前的电池回收方法只是简单地将所有东西粉碎，然后再提取精炼复杂的混合物，这一回收过程成本高，但成功回收的产品价值却不高。”因此，回收锂电池的成本比开采更多金属锂来生产新锂电池的成本还要大。此外，由于大规模廉价回收锂电池的方式相当落后，全球只有大约5%的锂电池能够回收。换言之，大多数锂电池最后都成了垃圾废品。

不过随着对电动汽车的需求不断升级，就如预计所料，电池业和汽车行业很快将会有更大的动力回收更多的电动车电池。

金属锂的提取和加工需要大量的水和能源，这会造成锂电池厂附近的环境问题（Credit: Reuters）

锂电池的回收还不是造成环境压力的唯一原因。开采锂电池所需的各种金属需要大量资源。开采一吨锂需要消耗50万加仑的水。在智利的阿塔卡马盐滩（Atacama Salt Flats），因为开采锂矿，结果造成植被减少、白天气温升高，以及所在的国家保护区干旱日益严重等环保问题。因此，尽管电动汽车可以有助于减少二氧化碳的排放，但为其提供动力的电池一开始就对环境造成了很大的影响。

锂电池使用大约10年就会报废，如果能有效回收报废的千百万块锂电池，将有助于中和生产及回收锂电池所消耗的能源。现已有好一些科研实验室在改进更有效的回收方法，一旦成功，最终能找到一个既标准化也很环保的回收技术，就能充分迎接锂电池需求量大增时代的到来。

加州大学圣地亚哥分校（University of California, San Diego）的能源技术教授孟颖（Shirley Meng）说，“我们必须找到方法让锂电池进入我们所说的循环生命周期，因为锂、钴和镍需要大量的电力和大量的工作来开采、提炼和制造电池。我们不能再把锂电池当作一次性使用的产品。”

如何回收锂电池

锂电池有一个金属阴极装置，或称为正极，由锂和一些混合元素组成，通常包括钴、镍、锰和铁，其作用是在电化学反应中接受电子。锂电池还有一个阳极装置，或称负极，由石墨、分离器和某种电解液组成，功能是将阴极的电子释放到外部电路。电解液作用是充当阳极到阴极之间传输锂离子而形成电流的介质。阴极中的金属是电池最有价值的部分，这是化学家拆卸锂电池时主要保存和提炼的物质。

孟颖说，可以把锂离子电池想象成一个有许多层隔的书架，而锂离子会经过书架每一层快速移动，每次循环都会回到最上面的一层，这个化学过程被称为插层，或曰嵌入。经历多年的不断嵌入后，这个锂电池书架自然会崩坏坍塌。所以当化学家如孟颖等拆卸这个用了几年的锂电池时，他们在锂电池结构和材料上所看到的就是这种退化。

孟颖说，“我们可以找到其中的机制，通过加热或某种化学处理方法，把这个锂电池书架重新组装起来。因此，我们可以把这些回收和翻新的金属材料送回到锂电池工厂的装配线，生产新的电池。”

锂离子电池内部比铅酸电池复杂，是由许多精心组装的部件组成（Credit: Getty Images）

改善锂电池的回收利用，并最终实现可重复使用其部件，将会为价值颇高的锂电池再增加新的价值。这就是为什么科学家们要提倡直接回收再用，如孟颖所说，因为直接回收可以给锂电池的价值最高部件，即阴极和阳极材料予第二次生命。这可以显著抵消制造锂电池所消耗的能源和废料，以及付出的成本。

但目前锂电池的拆卸主要还只能是实验室中靠人手完成，如果直接回收利用要与较传统的回收方法相竞争，就需要改变人手拆卸这种低效率的方法。阿伯特说：“未来需要技术含量较高的拆卸法。如果用机器人组装电池，那么以同样的方式予以拆卸也是合逻辑的。”

阿伯特在英国法拉第研究所（Faraday Institution）的团队正在研发机器人拆卸锂电池的技术，这是专门研究锂电池的回收和再利用计划ReLib Project的一部分。这个研究团队还发现了一种利用超声波探头实现阳极端和阴极端直接回收的方法。他解释道，“就像牙医清洁牙齿一样，用超声波聚焦在正负两个电极板表面，使内层产生微小的气泡，然后发生内爆，将表面的涂层炸离。”这一过程维护了这两个重要部件的完整，避免了以往必须完全拆解因而使得回收大不易这个难题。

根据阿伯特团队的研究，在同样长的时间，这种超声波回收方法可以比传统的湿法冶金方法多处理100倍的材料。他说，这种回收技术所耗成本甚至还不到用原始材料制造新电池成本的一半。

阿伯特认为，超声波回收技术很容易作规模性回收，可运用于为电网储电的大型电池，因为这种电池的结构通常与电动车电池相同，只是包含更多的电池组而已。不过这个研究团队目前只将超声波回收技术应用于比较容易拆卸的报废电池，因为这些电池已经没有外壳。不过，研究团队也在加强测试机器人拆解技术。阿伯特说，“我们有一个演示的机器人，目前在展示回收整个电极的工作。我们希望在未来的18个月能够展示在生产线工作的自动化流程。”

可降解的电池

一些科学家正在提倡抛弃锂电池，转为使用能够以较环保的方式生产和分解的电池。美国德州农工大学（Texas A&M University）的化学工程教授朱迪·卢肯豪斯（Jodie Lutkenhaus）一直在研究一种由有机物质制成可以按指令降解的电池。

卢肯豪斯说，“由于相关的能源和劳动力成本，今天许多电池是无法回收的。而按指令可降解的电池可以简化或降低回收的障碍。最终，这些降解产物可以被重新组装成新的电池，从而结束电池材料最后只能报废的结局。”

这是相当合理的论点，因为即使拆卸锂电池后有一些部件可以翻新再用，但仍然会有一些部分无法保存而永远报废。卢肯豪斯团队正在研究的可降解电池可能是一种可持续性更强的能源手段。

这种名叫有机自由基电池（ORBS）的可降解电池在21世纪初已问世，其机制是通过合成有机材料来存储和释放电量。卢肯豪斯解释说。“有机自由基电池有两种这样的有机物，都能作为电极材料，协同存储和释放电子或能量。”

这个研究小组使用一种酸将有机电池分解成氨基酸和其他副产品，不过需要恰到好处的环境条件才能正常降解。卢肯豪斯说，“最终，我们发现酸在高温下能起降解作用。”

然而，这种可降解电池还面临着许多挑战。首先所需的材料非常昂贵，其次还不能提供电动汽车和电网这类需求高电量的电池。不过并非仅止于此，卢肯豪斯等科学家研发的可降解电池面临的最大挑战可能是如何与已经规模生产广泛应用的锂电池相竞争。

未来几十年对电动汽车的需求会大量激增，因此回收电池的需求也将增长（Credit: Getty Images）

科学家推动直接回收锂电池的下一步是与电池制造商和回收工厂合作，简化从建造到分解的过程。

孟颖说，“我们鼓励所有的电池制造商给所有的电池贴上条形码，有了人工智能机器人技术，我们可以很容易拣选电池。这需要整个领域的合作才能实现。”

锂电池用来为众多不同的设备供电，比如笔记本电脑、电动汽车，以及输电网等，因而锂电池的化学组成因用途不同会有所区别，有时差异会很大。这使得回收也应该有不同方式。科学家说，电池回收工厂必须将各种锂电池分成不同的工作流程，就像塑料回收要对不同类型的塑料进行分类一样，这样才能使回收过程最为有效。

尽管科学家的研发面临着重重困难，可持续性更强的电池正缓慢而稳步地进入市场。阿伯特说，“我们已经可以看到，组装和拆卸较容易的设计已经进入市场，这很可能是未来电池发展的一个重要主题。”

在生产方面，电池和汽车制造商正在努力减少制造锂电池所需的材料，以帮助减少采矿过程中的能源消耗，以及每个电池在寿命结束时产生的废物。

电动汽车制造商也开始以各种不同的方式回收和翻新再用自产汽车的电池。例如，日产汽车翻新聆风（Leaf）电动汽车的旧电池，然后安装在将零部件运送到日产工厂组装线的自动导航车辆上。

前方有减速带

电动汽车市场需求的稳步增长，已经促使整个汽车行业花费数十亿美元来提高锂电池的可持续性。中国目前是锂电池的最大生产国，因此在回收领域也有能力领先同业。

中国现在是锂电池的最大生产国，电池回收也有领先的潜力（Credit: Getty Images）

如果广泛采用标准化回收锂电池技术，包括对不同类型的锂电池进行分流处理，这将使中国往电池回收领先世界的目标迈进一大步。与此同时，利用人工智能技术翻新阴极等最有用的部件，可能有助于锂电池零部件供应较少的国家不必过于依赖中国。

开发可与锂电池相抗衡的新电池，也会为电池业创造健康的竞争环境，从而撼动这个行业。孟颖说，“我确实认为，如果我们对电池存储技术，尤其是网格存储作分散多样投资，会让这个世界变得更好。”

解决当前电动汽车可持续发展问题的最终答案，是要找到一种不那么复杂但却比较安全，制造成本较低但寿命结束后却较易分解的电池。但在这种理想电池问世之前，锂电池回收技术标准化是朝着正确方向迈出的重要一步。

到2025年左右，数以百万计的电动汽车的电池将达到其初始寿命周期完结之时，因此一个简单而高效率的电池回收流程对全世界的经济体都会深具吸引力。所以，当电动汽车成为人类主要交通工具的时候，很有可能那时电动车电池将不会寿终正寝，而会获得第二次生命，重新启动汽车驰上公路。