近期，瑞典查尔姆斯理工大学（ChalmersUniversity of Technology）研究团队开发了一种电动汽车动力电池材料回收方法，该方法的成本效益更高，可持续性发展，其商业模式可供现有动力电池回收行业借鉴。
当前，全球电动汽车需求已达到一个临界点。据国际能源署（IEA）发布的消息显示，2019—2021年，全球电动汽车的新车注册量猛增，达到660万辆，同时对动力电池的研究方向也转向如何以更低的成本来获取更长的续航里程和更快的充电速度。虽然该研究具有积极意义，但当电动汽车和动力电池达到使用寿命后，如何开展电动汽车动力电池及其生产中使用的关键原材料的回收处理面临巨大挑战。对于电动汽车动力电池材料的回收处理，汽车制造业供应链相关企业需要优先考虑产业的可持续性发展。欧盟对动力电池材料的回收率提出了严苛的目标：从2025年开始，全新的锂离子电池包及电动汽车在生产中使用的关键原材料回收率必须达到65%；至2030年，其回收率需达到70%。同时，欧盟还要求汽车制造商从2027年1月开始，必须对外公布该公司对动力电池材料回收明细，并提出该公司在2030年后强制回收钴、铅、锂、镍等金属材料的最低回收率计划。
查尔姆斯理工大学化学工程学院的研究团队进行了一项资源回收效率较大，并可持续盈利的电动汽车动力电池材料回收试验，该试验本身不考虑商业模式和环境成本。MartinaPETRANIKOVA副教授解释，“在大多数情况下，电解质材料的回收效率较低，需要对回收方法和回收过程进行优化。有一些公司对外宣称他们已具备回收动力电池材料的能力，或者具备回收动力电池材料的基础设施，但这些设备仍需进行优化，以减少对化学原料和能源的消耗。”
该研究团队从2014年开始进行锂离子电池回收方法的研究，研究方向是在使用寿命到期的动力电池中回收高纯度材料，满足汽车工业对这些材料的二次利用需求。查尔姆斯理工大学提供的动力电池材料回收基础设施能让第三方评估机构参与到整个动力电池材料回收产业链的各工作环节中，并可在试验室及小规模的试验场进行试验，该设施还可以支持沃尔沃汽车公司和Northvolt电池制造商公司“NyBat合作项目”的前期研究，该项目是动力电池材料回收试点项目。
查尔姆斯理工大学研究团队专注于湿法冶金（hydrometallurgy）技术解决方案的研究，该技术可代替能源消耗较大的火法冶金（pyrometallurgy）技术。研究团队选择了沃尔沃汽车公司提供的镍锰钴（NMC）电池进行测试。在镍锰钴电池完全放电后，对其进行1 h的切割磨碎处理，形成粒径小于75 μm的均质颗粒。然后取6 g样品放置到400～700 ℃的高温环境中，分别进行30 min、60 min和90 min的焚烧热解处理，并对热解样品进行称重，得到相应的热解率。最新的研究结果显示，不同的热处理温度和时间会影响电解质材料在溶剂中的回收。为此，研究团队对预热处理过程进行了优化。
PETRANIKOVA副教授说道，“测试焚烧和热解这两种预热处理工艺非常重要，我们可以观察到金属回收的整个预热处理过程。对于湿法冶金技术而言，上述工艺无需额外消耗能源。”
该研究团队的试验结果显示，在湿法冶金工艺的焚烧过程中，在富氮条件下的高温碳裂解处理使C与O2发生反应产生CO2，降低了碳的热还原性，铜和铝箔发生反应，提取材料的纯度下降。在湿法冶金工艺中的高温裂解处理可避免上述现象的发生。研究团队认为，在700 ℃条件下将电池材料热解30 min后，可以降低金属氧化物的碳热还原性，并可以进行高纯度的材料过滤。此外，研究团队还发现，经过较长时间的热处理，金属材料钴和镍的回收速率会降低，经过热解30 min后，会形成更为复杂的结构体和不易滤取的金属氧化物。
该研究团队还表示，可以在室温环境下进行湿法冶金工艺过程，而无需加热到60～80 ℃。试验研究将电池材料放置在硫酸中沉浸180 min，期间用电磁搅拌器以300 r/min的转速进行搅动，浸泡1 min后开始逐渐增加时间间隔，提取10个100 μL的样品溶液，从而检测出金属的浸出情况。试验结果显示，在室温环境下，各种金属采用硫酸浸出工艺达到完全回收的时间分别为：锂2 min，锰5min，铜10 min、镍10 min。
该研究对优化现有动力电池回收商业模式具有重要意义。Burcak EBIN研究员认为：“装满数吨水的过滤罐在工业运用中较为广泛。加热过滤罐中的水需要大量的能源，而在环境温度下采用湿法冶金工艺进行电池材料的回收，则可以节省很多能源。”
PETRANIKOVA副教授声称，该团队的补充研究已证实，经过优化预热处理，无需大量的双氧水即可回收钴，并可在纯水中过滤仅含有少量铝杂质的锂。鉴于此研究，欧盟提出了以下电池材料回收目标：到2025年，钴、铜、铅和镍的回收率达到90%，锂的回收率达到35%；到2030年，钴、铜、铅和镍的回收率提升至95%，锂回收率提升至70%。
电动汽车动力电池材料的优化回收研究还需要与电池供应商进一步合作。查尔姆斯理工大学近期与瑞典Nilar公司开展了一项合作项目，即开发设计一款易于自动拆卸的镍氢电池。由于锂离子电池的负极材料具有一定的脆性，其自动化生产工艺难度较大。PETRANIKOVA副教授认为，电池的化学成分会随着锂离子电池性能的提高发生变化，而性能更好的负极材料对电动汽车的发展非常重要。
EBIN研究员指出，“在生产过程中必须考虑这些材料的易变性，动力电池制造商必须考虑大局，主动承担起动力电池回收的责任。随着动力电池材料的化学成分愈加复杂，其回收成本也会相应增加。研究并优化动力电池材料的回收过程，并向动力电池制造商传达动力电池材料回收的研究信息同样重要。动力电池制造商可以通过动力电池材料回收的研究成果，更改电池材料的组分，优化动力电池材料的回收方案。”
作者：AlexGRANT
整理：王少辉
编辑：吴玲