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工程7(2021)1657新闻亮点随着电动汽车业务的蓬勃发展,电池回收挑战迫在眉睫肖恩高级技术作家2021年6月,总部位于加拿大安大略省的Li-Cycle公司宣布计划在2021年底前开始在美国纽约州罗切斯特市建设北美最大的锂离子电池(LIB)回收设施。随着汽车制造商越来越多地转向电动汽车(EV)生产,此举解决了“与此同时,关于如何最好地处理未来不可避免地会有许多报废的电动汽车电池--回收、再利用、再利用或它们的组合--以及这其中的隐含意义,为环境而战。根据国际能源署的数据,截至2020年底,道路上有1000万辆电动汽车。到2030年,这一数字将上升到1.45亿至2.3亿辆电动汽车(图1),这取决于政府如何积极推动国家努力通过减少温室气体排放来遏制气候变化[2当这些电动汽车到达生命的尽头时,如何处理它们的LIB是一个迫在眉睫的挑战。不过,就目前而言,电动汽车电池的回收‘‘Thebasic problem ‘‘Because the growth is so rapid, everybody talksabout this huge pile 但与投入使用的电池数量相比,报废电池的数量是微不足道的。Fig. 1.根据当前(2020年)和国家政策(中间和左侧条)以及可持续发展情景(右侧条)预测的全球电动汽车销量(以百万计)。橙色圆圈代表电动汽车占汽车总销量的百分比,紫色圆圈代表所有电动汽车的百分比。插电式混合动力电动汽车(PHEV)的销售图片来源:国际能源署,经许可。https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.11.0092095-8099/©2021由爱思唯尔有限公司代表中国工程院发布。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志首页:www.elsevier.com/locate/engS.工程7(2021)16571658准备回收大量达到使用寿命的EV电池的环境案例这并不难理解,但在回收或拆卸报废LIB方面存在商业和技术挑战。一个是设计,尺寸,化学,架构和生产技术的范围。例如,特斯拉型号S 85 Mk1(2014)的电池组包含16个电池模块,每个模块有444个圆柱形电池,而同一年生产的日产Leaf Mk1的电池组有48个模块,每个模块有4个大的袋装电池。不同车辆中的电池使用不同的粘合剂构造,可以在相当大的压力下容纳,并且包含不同水平的关键金属[6]。底线是,这些电池的设计并不容易拆开,修复和重复使用。除了结构之外,LIB成分的化学配方和比例也在不断发展,尽管大多数EV LIB中的阴极由镍、锰和钴的层状锂过渡金属氧化物组成。这些金属,特别是钴和镍,是回收的主要目标,提取高价值金属如镍的常用方法是火法冶金回收。从本质上讲,这涉及将整个电池单元扔进熔炉并将其熔炼以回收目标金属,这是一个具有高能源成本的过程,会产生有毒气体,需要通过燃烧锂,塑料和电池电解质来进行补救,并且还减少了可以回收的物质[5]。从环境的角度来看,这是一个令人反感的方法来解决即将到来的洪水电动汽车电池回收。另一种广泛使用的方法,湿法冶金回收,对环境的影响要小得多,并采用各种试剂从阴极材料中浸出重要的金属,包括锂。然而,在这种回收之前,电池必须彻底粉碎,通常分为三类-塑料,铝箔/铜箔和阳极/阴极材料(图2),这本身就是一项具有挑战性的任务。阳极/阴极材料,称为“黑料”,是经过湿法冶金工艺回收有价值元素的物质。这种方法具有特别的吸引力,因为它比熔炼方法对环境的危害小‘‘We can take any type of lithium-ion battery, it does not matterLi-Cycle计划在北美建立最大的锂离子电池回收基础设施,使用它所谓的“辐条和枢纽”模式。目前,该公司有两个分支设施在运作-一个在金斯敦,ON,加拿大,另一个在罗切斯特-这需要所有类型的LIB,粉碎和分离成三类,目前,他们出售给其他公司,完成回收过程。每个辐条设施每年可以处理5000吨LIB,该公司已宣布计划再建造两个,一个在亚利桑那州,另一个在阿拉巴马州。Biederman说,其Rochester目前我们出售黑色物质的金属价值。但是,对于我们来说,利用我们的集线器技术,长期的作用是将其作为中间产品,并将其转化为硫酸钴、硫酸镍和碳酸锂等能源材料。汽车行业的快速电气化正在推动世界各地电池生产“Gigafactory”的发展2021年7月,日产宣布计划在桑德兰建立英国瑞典汽车制造商沃尔沃汽车(Volvo Cars)与另一家瑞典公司Northvolt联手,在瑞典的格罗夫纳创建了一个名为Northvolt Ett的超级工厂,此外还有一个大型电池回收厂。2019年,总部位于美国密歇根州底特律的通用汽车公司(GM)与LG化学有限公司(LGChem Ltd)合作总部位 于 韩 国 首 尔 , 以 Ultium Cells LLC 的 名 义 在 美 国 俄 亥 俄 州Lordstown建立一个千兆工厂,并于2021年宣布计划在美国田纳西州Spring Hill建立第二个23亿美元的千兆工厂[4,8,9]。而福特汽车公司最近也图二、(a)各种锂离子电池(尽管图中没有电动汽车电池)沿着传送带向下级联,以便在美国纽约州罗切斯特市的锂循环公司的“辐条”工厂进行处理(b)一旦切碎,电池材料被分类为塑料(顶部)、铝箔/铜箔(中间)和阳极/阴极材料,称为(c)收集黑色物质,通过湿法冶金回收再循环其镍和钴含量图片来源:Li-Cycle,经许可。S.工程7(2021)16571659宣布了一项110亿美元的计划,在美国建立三家电池工厂,以及一家电动卡车工厂[10]。一旦完全投入运营,这些工厂和其他类似的工厂将生产大量的电池,但也会产生电池废料。比德曼说,后者包括未能通过质量控制检查的电动汽车电池,是一个提高电池回收能力的机会。“真正具有侵略性的规模生产过程中产生的废料,我们可以处理,然后放回供应链。然后,随着报废车辆电池开始通过链条,我们也可以处理这些电池并回收材料。目前,大多数锂离子电池是在中国、日本和大韩民国生产的,其中一些国家采取了不同的回收方法。 哈珀是ReLiB项目的成员,该项目由法拉戴研究所管理,法拉戴研究所是英国独立的电化学储能研究和早期商业化研究所。ReLiB探索了电动汽车报废LIB可持续管理所需的条件事实上,中国当局已经介入推动回收议程。2018年,中国工业和信息化部发布了电动汽车电池制造商的规定,包括要求这些产品标准化,以便更容易拆卸。新措施还要求电动汽车生产商自己承担整个产品生命周期的责任,包括汽车电池的报废回收。与此同时,2020年,欧盟(EU)提出了一项新的电池法规,旨在确保欧盟市场上电池的可持续性[12]。虽然火法冶金和粉碎/湿法冶金目前在锂离子电池回收中占主导地位,但具体到电动汽车电池,粉碎并不是许多专家的首选答案[13]。哈珀说:“切碎是优雅的,因为它是一个相对简单的解决方案。”‘‘Butat ReLiB we question the如果你能更干净地将电池分成阴极、阳极和箔,那么你的后续过程可能会更有效,因为你不必回到原点。最近已经报道了使用高功率超声快速破坏电极和箔之间的粘合剂结合的这种分离或分层过程[14]。电池回收的另一个关键考虑因素是,不仅仅是阴极中的元素使其有价值。“阴极有钴和镍等,但它不只是元素粘在一起,在一个随机的方式,说:”ReCell的盖恩斯。盖恩斯说,因为它们使阴极能够容纳锂离子并在电池中工作,这些化合物的价值远远大于元素的价值。但是不同的电池制造商使用不同的化学物质,因此特定的阴极材料对电池制造商并不普遍有用。她说:“这一论点从一开始就被用来反对直接回收 。 ”‘‘But it is also a reason that battery manufacturers shouldprocess their own scrap, rather than sending it to a recycler that isgoing to smelt or shred然而,这并不是美国电动汽车制造商目前的方向。例如,UltiumCells LLC最近与Li-Cycle达成协议,回收其Lordstown工厂产生的废料[15]。熔炼或湿法冶金可能不是EV LIB回收挑战的良好长期解决方案的另一个原因是,这些方法只有在电池阴极材料含有有价值的元素(如钴)时才以及在较小程度上的镍。这些元素不仅成本高昂,而且它们还拥有各国政府不愿依赖的国际供应链。例如,6月,美国联邦先进电池联盟发布了一份锂电池国家蓝图,其中建议到2030年消除新锂电池中的钴和镍。到2020年,特斯拉宣布打算转向无钴电池[17]。电池设计和拆卸的替代方法也在开发中,这些方法可以帮助保护电池的宝贵结构,并在不需要大量人力的情况下进行回收/翻新[18]。 一个是某种程度的拆卸-如果有一个较小的各种电池或电池模块设计,它将有可能设计一个自动拆卸步骤,而不是粉碎一切,使一个大的混乱,哈珀表示同意:事实上,于二零二一年八月,美国能源部位于田纳西州的橡树岭国家实验室的研究人员研究人员声称,该系统可以针对任何类型的电池堆进行重新配置,并且可以对机器人进行编程,以访问单个电池模块或将电池组拆开到电池水平以进行材料回收[19]。然而,这些对许多人来说,在回收之前再利用是有道理的。例如,位于美国马萨诸塞州剑桥市的麻省理工学院的一个小组主张将更换的EV电池组重新用作太阳能电网电力存储设施中的电池,其中电池的性能不像EV那样重要[20]。哈珀说,事实上,目前正在进行许多大型电池再利用项目虽然电动汽车电池技术不断发展,但锂离子电池回收的长期未来很难预测,标准汽车电池中铅的回收率达到99%是一个遥远的目标。很明显,各种形式的电动汽车锂离子电池都将成为一个巨大的回收挑战。但哈珀说,无论报废电动汽车电池的价值如何变化,全球朝着更可持续的循环经济的方向发展必须迎接这一挑战。塑料袋、报纸和玻璃本身并没有价值,但我们都被鼓励回收它们,而不是诉诸垃圾填埋场。无论将来会出现什么样的电池技术,回收它们都是唯一真正的选择。引用[1] 电动汽车将在未来几年内引发电池海啸。罗切斯特:Li-Cycle; 2021年6月2日[引用于2021年8月19日]。网址:https:cycle.com/news/interview-ajay-kochhar-ceo-li-cycle-electric-cars-will-在未来几年里会发生大规模的电池海啸。[2] 2021年全球电动汽车展望次报告. 巴黎:国际能源署; 2021年4月。[3] 帕尔默角电动汽车市场有望加速。工程2021;7(2):136-8.[4] 更好的电池管理提升电动汽车的前景。工程2021;7(8):1041[5] Harper G,Sommerville R,Kendrick E,Drivel L,Slater P,Stolkin R,等. 回收电动汽车的锂离子电池。Nature 2019;575(7781):75-86.[6] 凯尔索山口日产宣布投入10亿英镑的“伦敦:天空新闻; 2021年7月1日[引用2021年8月19日]。可从:https://news.sky.com/story/nissan-to-unveil-新桑德兰千兆工厂,这将有助于提高电动汽车生产12345950。[7] 沃尔沃与Northvolt合作开发和生产电池[互联网]。底特律:欧洲汽车新闻;2021年6 月 21 日 [ 引 用 2021 年 8 月 19 日 ] 。 可 从 以 下 网 站 获 得 :https://europe.autonews.com/automakers/volvo-partners-northvolt-develop-and-produce-batteries。[8] Abuelsamid S.通用汽车在俄亥俄州与LG化学成立了价值23亿美元的电池合资企业,以推动电动汽车的大规模发展。纽约市:福布斯; 2019年12月5日S.工程7(2021)16571660[2021年8月19日]。可从以下网站获取:https://www.forbes.com/sites/samabuelsamid/2019/12/05/gm-and-lg-chem-launch-23 b-battery-joint-venture-in-ohio/?sh=90794a958711。[9] 科罗塞克湾通用汽车旧金山:TechCrunch; 2021年4月16日[引用于2021年8月19日]。可从以下网址获得:https://techcrunch.com/2021/04/16/gms-second-2-3b-battery-plant-with-lg-chem-to-open-in-late-2023/。[10] Boudette NE.福特将建4家工厂在一个大电动汽车推[互联网].纽约市:纽约时报;2021年9月27日[引用2021年9月29日]。可查阅https://www.nytimes.com/2021/09/27/business/energy-environment/ford-battery-electric-vehicles.html。[11] Beckett N,Ge A.工信部发布新能源汽车动力电池回收利用管理暂行办法[互联网]。London:Lexology; 2018 Mar 27 [cited 2021 Aug 19].网址:www.lexology.com/library/detail.aspx? g=9fe71d98-3aa6-4dec-bc3d-fef272367deb。[12] Melin HE,Rajaeifar MA,Ku AY,Kendall A,Harper G,Heidrich O. 欧盟电池法规的全球影响。 科学2021;373(6553):384-7。[13] 汤普森D,海德C,哈特利JM,雅培AP,安德森PA,哈珀GDJ。粉碎或不粉碎:锂离子电池湿法冶金回收的比较技术经济评估,保留价值和提高锂离子电池供应链的循环性。Resour Conserve 2021;175:105741.[14] Lei C,Aldous I,Hartley JM,Thompson DL,Scott S,Hanson R,et al. Lithiumionbattery recycling using high intensity ultrasonic.绿色化学2021;23(13):4710-5。[15] 维诺斯基河 Li-Cycle旨在改变锂离子电池回收的游戏规则。纽约市:福布斯; 2021年8月9日[引用2021年8月19日]。可从:https://www.forbes.com/sites/jimvinoski/2021/08/09/li-cycle-aims-to-change- 的游戏回收锂离子电池/?sh=52eedfe844f4。[16] 2021-2030年锂电池国家蓝图。次报告.华盛顿特区:联邦先进电池联盟,美国能源部; 2021年6月。[17] Calma J. Tesla将生产不含钴的EV电池阴极[互联网]。华盛顿特区:边缘; 2020年9 月 22 日 [ 引 用 2021 年 8 月 19 日 ] 。 可 从 以 下 网 站 获 得 :https://www.theverge.com/2020/9/22/21451670/tesla-cobalt-free-cathodes-mining-battery-nickel-ev-cost。[18] ThompsonDL,Hartley JM,Lambert SM,Shiref M,Harper GDJ,KendrickE,等. 设计在锂离子电池回收中的重要性。绿色化学2020;22(22):7585-603。[19] 自动化拆解线旨在使电池回收更安全、更快捷。橡树岭:橡树岭国家实验室; 2021年 8 月 16 日 [ 引 用 于 2021 年 8 月 19 日 ] 。 可 从 以 下 网 站 获 得 :https://www.ornl.gov/news/automated-disassembly-line-aims-make-battery-recycling-safer-faster。[20] 安德森·M 二手电动汽车电池可以为明天的太阳能发电场供电。纽约市:IEEESpectrum;2020 年 6 月 10 日 [ 引 用 于 2021 年 8 月 19 日 ] 。 可 从https://spectrum.ieee.org/used-ev-batteries-could-power-tomorrows-solar-farms获得。[21] 皮尔斯湾让铅出来:为什么电池回收是一个全球性的健康危害。纽黑文:耶鲁E360 , 耶 鲁 大 学 ; 2020 年 11 月 2 日 [ 引 用 2021 年 8 月 19 日 ] 。 可 查 阅https://e360.yale.edu/features/getting-the-lead-out-why-battery-recycling-is-a-global-health-hazard。
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