近期，瑞典查爾姆斯理工大學(xué)（ChalmersUniversity of Technology）研究團(tuán)隊開發(fā)了一種電動汽車動力電池材料回收方法，該方法的成本效益更高，可持續(xù)性發(fā)展，其商業(yè)模式可供現(xiàn)有動力電池回收行業(yè)借鑒。

當(dāng)前，全球電動汽車需求已達(dá)到一個臨界點。據(jù)國際能源署（IEA）發(fā)布的消息顯示，2019—2021年，全球電動汽車的新車注冊量猛增，達(dá)到660萬輛，同時對動力電池的研究方向也轉(zhuǎn)向如何以更低的成本來獲取更長的續(xù)航里程和更快的充電速度。

雖然該研究具有積極意義，但當(dāng)電動汽車和動力電池達(dá)到使用壽命后，如何開展電動汽車動力電池及其生產(chǎn)中使用的關(guān)鍵原材料的回收處理面臨巨大挑戰(zhàn)。對于電動汽車動力電池材料的回收處理，汽車制造業(yè)供應(yīng)鏈相關(guān)企業(yè)需要優(yōu)先考慮產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展。

歐盟對動力電池材料的回收率提出了嚴(yán)苛的目標(biāo)：從2025年開始，全新的鋰離子電池包及電動汽車在生產(chǎn)中使用的關(guān)鍵原材料回收率必須達(dá)到65%；至2030年，其回收率需達(dá)到70%。同時，歐盟還要求汽車制造商從2027年1月開始，必須對外公布該公司對動力電池材料回收明細(xì)，并提出該公司在2030年后強制回收鈷、鉛、鋰、鎳等金屬材料的最低回收率計劃。

查爾姆斯理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院的研究團(tuán)隊進(jìn)行了一項資源回收效率較大，并可持續(xù)盈利的電動汽車動力電池材料回收試驗，該試驗本身不考慮商業(yè)模式和環(huán)境成本。MartinaPETRANIKOVA副教授解釋，“在大多數(shù)情況下，電解質(zhì)材料的回收效率較低，需要對回收方法和回收過程進(jìn)行優(yōu)化。有一些公司對外宣稱他們已具備回收動力電池材料的能力，或者具備回收動力電池材料的基礎(chǔ)設(shè)施，但這些設(shè)備仍需進(jìn)行優(yōu)化，以減少對化學(xué)原料和能源的消耗。”

該研究團(tuán)隊從2014年開始進(jìn)行鋰離子電池回收方法的研究，研究方向是在使用壽命到期的動力電池中回收高純度材料，滿足汽車工業(yè)對這些材料的二次利用需求。查爾姆斯理工大學(xué)提供的動力電池材料回收基礎(chǔ)設(shè)施能讓第三方評估機構(gòu)參與到整個動力電池材料回收產(chǎn)業(yè)鏈的各工作環(huán)節(jié)中，并可在試驗室及小規(guī)模的試驗場進(jìn)行試驗，該設(shè)施還可以支持沃爾沃汽車公司和Northvolt電池制造商公司“NyBat合作項目”的前期研究，該項目是動力電池材料回收試點項目。

查爾姆斯理工大學(xué)研究團(tuán)隊專注于濕法冶金（hydrometallurgy）技術(shù)解決方案的研究，該技術(shù)可代替能源消耗較大的火法冶金（pyrometallurgy）技術(shù)。

研究團(tuán)隊選擇了沃爾沃汽車公司提供的鎳錳鈷（NMC）電池進(jìn)行測試。在鎳錳鈷電池完全放電后，對其進(jìn)行1 h的切割磨碎處理，形成粒徑小于75 μm的均質(zhì)顆粒。然后取6 g樣品放置到400～700 ℃的高溫環(huán)境中，分別進(jìn)行30 min、60 min和90 min的焚燒熱解處理，并對熱解樣品進(jìn)行稱重，得到相應(yīng)的熱解率。

最新的研究結(jié)果顯示，不同的熱處理溫度和時間會影響電解質(zhì)材料在溶劑中的回收。為此，研究團(tuán)隊對預(yù)熱處理過程進(jìn)行了優(yōu)化。

PETRANIKOVA副教授說道，“測試焚燒和熱解這兩種預(yù)熱處理工藝非常重要，我們可以觀察到金屬回收的整個預(yù)熱處理過程。對于濕法冶金技術(shù)而言，上述工藝無需額外消耗能源?！?/p>

該研究團(tuán)隊的試驗結(jié)果顯示，在濕法冶金工藝的焚燒過程中，在富氮條件下的高溫碳裂解處理使C與O2發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生CO2，降低了碳的熱還原性，銅和鋁箔發(fā)生反應(yīng)，提取材料的純度下降。在濕法冶金工藝中的高溫裂解處理可避免上述現(xiàn)象的發(fā)生。

研究團(tuán)隊認(rèn)為，在700 ℃條件下將電池材料熱解30 min后，可以降低金屬氧化物的碳熱還原性，并可以進(jìn)行高純度的材料過濾。此外，研究團(tuán)隊還發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過較長時間的熱處理，金屬材料鈷和鎳的回收速率會降低，經(jīng)過熱解30 min后，會形成更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體和不易濾取的金屬氧化物。

該研究團(tuán)隊還表示，可以在室溫環(huán)境下進(jìn)行濕法冶金工藝過程，而無需加熱到60～80 ℃。試驗研究將電池材料放置在硫酸中沉浸180 min，期間用電磁攪拌器以300 r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行攪動，浸泡1 min后開始逐漸增加時間間隔，提取10個100 μL的樣品溶液，從而檢測出金屬的浸出情況。試驗結(jié)果顯示，在室溫環(huán)境下，各種金屬采用硫酸浸出工藝達(dá)到完全回收的時間分別為：鋰2 min，錳5min，銅10 min、鎳10 min。

該研究對優(yōu)化現(xiàn)有動力電池回收商業(yè)模式具有重要意義。Burcak EBIN研究員認(rèn)為：“裝滿數(shù)噸水的過濾罐在工業(yè)運用中較為廣泛。加熱過濾罐中的水需要大量的能源，而在環(huán)境溫度下采用濕法冶金工藝進(jìn)行電池材料的回收，則可以節(jié)省很多能源?！?/p>

PETRANIKOVA副教授聲稱，該團(tuán)隊的補充研究已證實，經(jīng)過優(yōu)化預(yù)熱處理，無需大量的雙氧水即可回收鈷，并可在純水中過濾僅含有少量鋁雜質(zhì)的鋰。鑒于此研究，歐盟提出了以下電池材料回收目標(biāo)：到2025年，鈷、銅、鉛和鎳的回收率達(dá)到90%，鋰的回收率達(dá)到35%；到2030年，鈷、銅、鉛和鎳的回收率提升至95%，鋰回收率提升至70%。

電動汽車動力電池材料的優(yōu)化回收研究還需要與電池供應(yīng)商進(jìn)一步合作。查爾姆斯理工大學(xué)近期與瑞典Nilar公司開展了一項合作項目，即開發(fā)設(shè)計一款易于自動拆卸的鎳氫電池。由于鋰離子電池的負(fù)極材料具有一定的脆性，其自動化生產(chǎn)工藝難度較大。PETRANIKOVA副教授認(rèn)為，電池的化學(xué)成分會隨著鋰離子電池性能的提高發(fā)生變化，而性能更好的負(fù)極材料對電動汽車的發(fā)展非常重要。

EBIN研究員指出，“在生產(chǎn)過程中必須考慮這些材料的易變性，動力電池制造商必須考慮大局，主動承擔(dān)起動力電池回收的責(zé)任。隨著動力電池材料的化學(xué)成分愈加復(fù)雜，其回收成本也會相應(yīng)增加。研究并優(yōu)化動力電池材料的回收過程，并向動力電池制造商傳達(dá)動力電池材料回收的研究信息同樣重要。動力電池制造商可以通過動力電池材料回收的研究成果，更改電池材料的組分，優(yōu)化動力電池材料的回收方案?！?/p>

審核編輯：劉清