电动汽车电池回收闭环竞赛

2019 年 10 月下旬，亚利桑那州斯科茨代尔的一家回收设施发生火灾。大火吞噬了 40,000 平方英尺的场地，每小时 60 英里的大风将大量烟柱吹向附近的高速公路，迫使当地官员封锁了道路。消防员直到第二天才将大火扑灭。事后，运营该设施的公司不得不暂停附近城市的垃圾收集；烧焦的场地每年可处理 85,000 吨垃圾，现在这些垃圾除了填埋场外无处可去。

罪魁祸首是什么？就是手机和笔记本电脑中常见的锂离子电池。虽然这些超高效电池通常是安全的，但它们在耗尽电量后仍会继续储存挥发性能量，这意味着处理不当可能会引发爆炸和火灾。美国环境保护署 2021 年的一份报告发现，2013 年至 2020 年间，28 个州都有此类火​​灾的公开记录，并指出一家工厂一年内就发生了十多起火灾。风险只会越来越大：根据研究公司 Rystad Energy 的估计，到 2030 年，全球锂市场预计将增长 20 倍。

如此多的电池最终被丢弃在废料堆中，这一事实给摆脱化石燃料的转型带来了更深刻的问题。电池是电动汽车的关键部件，但它们所含的金属——锂、钴和镍——越来越难获得，而且通常只产自少数几个国家。为下一代电动汽车提供动力将需要从世界各地的盐滩和矿床中开采数千吨锂和钴，这一过程不仅破坏生态，而且成本高昂。

康奈尔大学工程学教授尤凤琪 (Fengqi You) 研究了锂等元素在能源系统中的生命周期，他说：“我们应该尽量回收一切可以回收的东西，但就电池而言，回收就变得更加重要。”尤凤琪指出，我们国内的电动汽车行业依赖于在世界各国开采和提炼的锂，因此我们国内几乎无法控制这些基本材料的生产。如果全球供应链出现任何问题，我们获取这些贵金属的渠道就会中断，从而推迟转向绿色技术的努力。

不过，好消息是，死者可以复活。斯科茨代尔火灾中旧电池所含的关键金属可以被提取出来并重新投入供应链。有了合适的基础设施，我们可以大幅减少为新电池供应金属所需的采矿量——同时降低垃圾箱火灾的风险。

随着电动汽车在美国的兴起，一些初创公司正在努力做到这一点。其中最先进的公司之一 Ascend Elements 将于今年夏天在佐治亚州开设一家大型电池回收工厂，回收锂、钴和镍，其竞争对手也紧随其后。这些公司正竞相在第一代电动汽车报废之前扩大规模。他们的努力有可能形成闭环，创建一个更少依赖化石燃料和不必要采矿的系统。

英裔美国化学家 M. Stanley Whittingham 在 20 世纪 70 年代末提出了可充电锂离子电池的第一个概念框架，并于 2019 年获得诺贝尔奖。从 NASA 到牛津大学等实体在接下来的十年里进一步开发了他的核心技术。但这一概念直到 1991 年才实现商业化，当时索尼开始使用这些电池来延长其摄像机的使用寿命。自那时起，这种电池的能量密度几乎增加了两倍，而生产它们的成本在同一时期内下降了 97% 以上，从 1991 年的约 7,500 美元降至 2018 年的不到 200 美元。

所有电池的工作原理都是储存化学能并将其转化为电能。普通电池的两个端子包含不同的导电金属：阳极或负极，以及阴极或正极。这两种成分被一种称为电解质的化学介质隔开。当你打开设备时，阳极中被压抑的电子会从电池中流出，通过电路，流向阴极，被正电荷吸引。电子在电路中的运动就是产生电能的原因。

在普通电池中，没有办法逆转这一过程。当足够多的被压抑的电子离开阳极时，整个电池就会死亡。另一方面，锂离子电池的寿命要长得多，这要归功于它们的名义元素，即元素周期表中最轻、最活泼的金属之一。在不带电的状态下，一堆锂原子悬挂在阴极上。当你将设备插入电源时，这些活泼的锂原子会迅速放弃电子，电子会通过外部电路，然后停留在阳极。关键优势是，那些离开的电子会留下带正电的锂离子，然后被电源的负电荷吸引通过电解质流向阳极，在那里被捕获。当你断开设备与电源的连接并打开它时，这个过程就会逆转。自然不稳定的锂离子会通过电解质返回阴极，而电子会移动加入它们，从而产生电能。电子和离子现在停留在阴极中直到下次电池充电。

这种金属阴极的结构是电池寿命的关键：它的功能是镍和钴等金属的原子千层面，层薄到足以将锂离子和电子困在它们之间。然而，当离子在电池中来回移动时，它们会扭曲这个千层面，导致原子结构膨胀和破裂。每个充电周期都会引起许多其他不受控制的化学反应，这些反应会随着时间的推移使电池性能下降，就像我们身体在正常衰老过程中的退化一样。通常你无法用肉眼看到这种衰退，但经过几年的时间，电池移动能量的难度就会加大。普通的锂离子电池在开始衰退之前可以进行几千次充电循环。（但即便如此，电池仍会保留电荷，这就是它们在发霉时如此易燃的原因。）

电动汽车行业的快速增长导致对实现这一切所需的金属的需求激增，其中就包括锂。结果，一些拥有大量矿藏的国家（如中国、智利和澳大利亚）出现了采矿热潮。全球产量从 2010 年的每年 3.1 万吨增长了两倍，达到 2021 年的 11 万吨。但随着全球电动汽车市场每年增长约 20%，需求增长速度过快，任何生产商都无法跟上。国际能源署预测，到 2030 年，锂的年产量可能会比需求少近 200 万吨。虽然至少有三四个大洲有开采这种金属的潜力，但几乎所有的炼油厂和电池厂都在中国，从而导致了典型的瓶颈。研究公司 Rystad Energy 表示，如果产能不增加，到本世纪末，这种材料的价格可能会上涨两倍。

需求飙升也带来了更高的环境成本。企业每年要用数百亿加仑的水从地下开采锂，这给智利等已经干旱的国家带来了资源压力。西藏、阿根廷和美国的锂矿附近曾出现多起鱼类死亡、淡水枯竭或污染的报道。

所有这些因素都强化了回收利用的必要性。在锂离子电池上市的最初几十年里，它们的价值还不足以让任何人费心将废旧电池转化为新材料，但仍有少数组织试图阻止它们进入垃圾填埋场——最著名的是 Call2Recycle, Inc.。这家非营利组织由各大电池制造商于 20 世纪 90 年代创立和资助，旨在减轻其产品带来的环境风险（和法律责任）。自成立以来，该非营利组织启动了一项收集计划，收集来自三个主要来源的垃圾：维修中心、市政垃圾处理设施和遍布全美的 16,000 个面向公众的垃圾投递箱网络。去年，它收集了超过 800 万磅的废弃电池。

“我们刚开始的时候，主要的电池化学成分是镍镉电池，”该项目的运营总经理埃里克·弗雷德里克森 (Eric Frederickson) 表示，他指的是一种通常用于笨重但便携的电动工具的电池。现在，他说，“锂离子电池是我们收集的最大单一化学电池。”

多年来，美国的锂回收能力一直很低，以至于 Call2Recycle 不得不将其废弃物运往国外。不过，现在有一位新客户出现了，他承诺将这些废弃物转化为全新电动汽车电池的原料。

ASCEND ELEMENTS 的研发中心坐落在马萨诸塞州伍斯特市郊外一个不起眼的办公园区内。如果你站在外面，你可能会猜到里面的每个人都整天都在敲打电脑。但实际情况要复杂一些：前台办公室后面是一个仓库，公司一直在那里微调锂离子电池回收流程，并准备扩大规模。

Ascend 的系统基于该公司自己研发的湿法冶金工艺，该工艺涉及将粉碎的金属溶解在化学溶液中，然后将其重新浸出成固体。这是对一种较老且不太精致的火法冶金技术的改进，火法冶金需要熔炼电池并分离出过热成分，从而产生二恶英和呋喃等有毒气体。

递给我一副护目镜后，Ascend 的联合创始人兼首席技术官埃里克·格拉茨 (Eric Gratz) 向我展示了这些作品。他大声喊叫，盖过了发电机的持续轰鸣声，领我进入一个天花板很高的空间，里面有十几个相互连接的储罐和机器。有三个钢桶高耸在我们上方，一对 10 英尺长的看起来像手风琴的装置，以及一组由管道和管子连接的几个较小的储罐。

格拉茨说，总的来说，这台机器就像一台巨型法式压滤咖啡机。Ascend 从 Call2Recycle 等回收商或电动汽车制造商那里购买废旧电池，然后用细齿粉碎机将其磨碎。残渣以深色粉末的形式运到伍斯特工厂——行业术语称之为“黑色物质”——代替这种化学混合物中的咖啡豆。目标是将废旧金属液化，去除塑料和不需要的金属等杂质，改变其化学结构，然后将其浓缩成粉末，以便用于新的制造。

格拉茨首先带我来到三个大桶前，桶后方有一个料斗，里面装着切碎的电池。第一步是将黑色物质通过管道输送到大桶中，在专有的化学混合物中溶解，松散内部锂、镍和钴的原子结构。这一步并不难。关键是将其重新变成粉末。

Ascend 希望生产用于新阴极（电池的正极）的材料，因为这是最难获得的。但由于粉碎的电池含有几种不同的金属，其中一些是无用的，因此 Ascend 首先必须分离出不需要的金属。我们蹑手蹑脚地绕过来回忙碌的实验室技术人员，来到了手风琴般的机器前。这些机器将黑色浆料泵入一组过滤板，以滤除无关的固体——相当于将咖啡渣压入法式压滤机。石墨和铜的碎片粘在过滤器上，留下黑色和绿黄色污渍；Ascend 随后将这些污渍包装并出售给传统的回收商。

下一步是将剩余的混合物分离成两种关键成分：锂和镍、钴和锰的混合物。Ascend 实现这一目标的具体方法是专有的——这也是该公司与竞争对手的区别之一——但 Gratz 承认它​​利用了锂的独特化学性质。虽然大多数金属在加热时更容易溶解，但锂在较高温度下溶解性较差。这意味着该团队可以通过加热混合物来分离最重要的金属。产生的颗粒看起来很像你放在普通调味瓶中的盐。

然后，他们将黑色物质沉淀成粉末，这是另一个专有流程，这个过程在一组看起来像《星球大战》中老一代机器人的机器中进行——大大的四四方方的梯形，上面有一些小玩意。Ascend 的团队可以根据买家的要求调整每批电池中镍和钴的浓度：例如，镍含量较高的电池保质期较​​短，但可以容纳更多能量，非常适合需要行驶数百英里的汽车。一旦搅拌器将粉末与提取的锂重新混合，最终产品看起来就和进来的一样，格拉茨递给我的前后罐子就是明证。但回收粉末的分子结构焕然一新，可以再次储存高活性锂离子。

这个过程非常高效：Ascend 回收了 98% 的最昂贵金属，镍和钴。对于锂，Gratz 说，这个数字更接近 80%。离开工厂的黑色粉末实际上已经准备好卷起来了。电池制造商通常将物质喷洒在箔片上，然后将材料卷起来或折叠成新的电池单元。

Ascend 在伍斯特的业务看似复杂，但它只是一个占地 154,000 平方英尺的电池回收工厂的原型，该工厂将于 2022 年夏天在亚特兰大附近开业。该工厂将位于美国东南部电动汽车热潮的中心。大众汽车将很快在其位于田纳西州查塔努加的工厂启动电动汽车部门，福特正在肯塔基州和田纳西州等地建造一家装配厂和多家电池工厂。Ascend 的工厂还要几个月才能开工，但像 SK Battery America 这样的制造商已经开始运送一托盘托盘的制造废料，该公司为福特和大众等重量级企业提供动力。废料成吨地堆积起来，只等着上路。

工厂投入运营后，Ascend 位于佐治亚州的工厂每年将能够处理 33,000 吨废旧电池和其他废料，产生的再生金属足以为 70,000 辆电动汽车提供动力。营销副总裁 Roger Lin 解释说，汽车制造商可以签署一份简单的单向合同，购买废旧电动汽车电池的再生材料，或者他们可以签订一份双向协议，从工厂提供多余的废料，然后以再生的形式回收它们。Ascend 还可以从汽车制造商那里回收废旧电池，然后为任何需要的人制造新材料。

Ascend 首席执行官 Mike O'Kronley 确信，他的工厂所依赖的旧电动汽车电池不会像被遗忘在抽屉里的手机一样被丢弃。“一块电动汽车电池相当于一千块手机电池，”他说。“收集并运送到回收中心要容易得多。”他认为，汽车粉碎机和垃圾场有动力将它们卖给 Ascend 这样的公司。

尽管 Ascend 在争取客户方面可能占有先机，但它也面临着激烈的竞争：加拿大回收公司 Li-Cycle 正在纽约州罗切斯特附近建厂，而 Redwood Materials 则是由特斯拉前首席技术官创立的公司。这两家公司都在扩大自己的系统，使用与 Ascend 类似的湿法冶金工艺。

目前，退役的电动汽车数量不足以满足回收金属的需求。“如果我们回收世界上所有的电池，回收最多只能满足 20% 到 30% 的需求，”Ascend 首席技术官 Gratz 说。只要道路上的电动汽车总数继续增加，我们就需要继续开采大量的锂、钴和镍。

然而，Ascend 希望大多数人最终都能驾驶电动汽车，并将旧车换成新车。“然后，”格拉茨说，“我们就可以不断地回收相同的镍、钴和锂原子了。”

这个故事最初刊登在 PopSci 2022 年夏季金属版上，是关于电池的三部分系列文章的第三部分。阅读第一部分和第二部分或更多 PopSci+ 故事。