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    回收汽車的鋰電池比你想象的要復雜得多

    2022-05-27 17:06:01 編輯:張新威 來源:
    導讀 鋰電池在電子設備中已經變得非常流行,而對這些電池的重量和尺寸的強調意味著它們中的原材料數量并不太大。但是,鋰電池的其他日益增長的用...

    鋰電池在電子設備中已經變得非常流行,而對這些電池的重量和尺寸的強調意味著它們中的原材料數量并不太大。但是,鋰電池的其他日益增長的用途--電動汽車--絕對不是這樣。這些鋰電池重達數百公斤,含有大量的原材料,其中一些可能很有價值。

    然而,由于汽車電池市場的相對年輕,一個有組織的回收行業才剛剛發展起來,在循環再利用變得既廣泛又經濟之前,它面臨著重大的技術障礙。在今天的“自然”雜志上,一組研究人員研究了可能的回收方法,并考慮如何從電動汽車電池中獲得最大的價值,因為它們的性能已經不足以運行一輛汽車。

    分析的作者們首先澄清了一件事:鋰離子電池的大部分成本并不在原材料上。相反,所需的成本是將這些原材料轉化為可以在電池中發揮作用的東西,然后將它們轉化為一種將耐久性、性能和安全性結合在一起的結構。因此,使用性能較差的電池比拆開電池來獲取材料更有價值。

    鋰電池的主要問題是隨著時間的推移而喪失容量。最終,這將導致任何依賴他們的車輛的射程縮小。但是,即使電池的容量持續下降,即使這種功能不足以滿足電動汽車的需要,這些電池的使用時間也可能會延長很多年。與汽車不同的是,電網規模的儲電量對電池占用的空間大小和重量都不敏感。因此,一個不再適合汽車的電池仍然可以在電網上工作得很好。

    因此,作者強烈認為,再利用應該比回收優先得多。雖然電網規模的存儲相對較少,但它正在增長,美國一些州已經要求它們的公用事業公司在未來幾年內提供網格存儲??紤]到鋰電池驅動的汽車是相對較新的發展,而且大多數電池在幾年內都不會達到使用壽命的極限,所以這個時間安排得很好。

    盡管如此,這只是暫時的情況。電池最終將達到這樣的程度:它們甚至對電網存儲毫無意義。電動汽車的預期增長意味著,在未來幾十年里,從汽車中取出的電池數量將大幅增加。甚至在很久以前,還沒有很多鋰電池處于生命末期,作者們指出,一些鋰電池已經進入金屬回收設施,在那里不適當地處理它們就引發了火災。

    因此,雖然這可能不是一個緊迫的需求,但開發處理大量鋰電池所需的技術最終將是至關重要的。

    鉛酸電池的回收系統似乎表明,處理鋰電池不應該是一個問題。但鉛酸電池有許多簡化,根本不適用于電動汽車電池。首先,它們都是以有限的格式制造的;通常情況下,如果需要更大的電池,制造商只需將一些標準大小的鉛酸電池連接起來。

    這與鋰電池的情況完全不同。作者強調特斯拉S型,寶馬i3和日產葉的動力包,其中差異超過200公斤,并有明顯不同的形狀。電池中的單個電池也有不同的大小和形狀,陰極的化學成分也是不同的。所有這些都排除了處理電動汽車電池的單一過程或自動化系統。

    盡管如此,也有很大的潛力來限制收集所需的原材料的影響。每公噸鋰通常需要超過250噸礦石或750噸富鋰鹵水以獲得。相反,通過回收大約250個汽車電池可以獲得等量的鋰。在未來幾十年里,我們期望看到的快速增長,但隨著電動汽車市場的成熟,在未來幾十年里,這無疑是無法持續的。

    然而,目前一些電池化學物質依賴于鈷,其供應有限且不穩定。這可能意味著回收的經濟將由一個相對較小的貢獻電池的最后質量的東西驅動。

    審查指出,電池可能會到達含有各種電量的回收中心,這可能會對人和設備造成危害。在電網上放上半滿的電池可以產生足夠的電力為一個家庭供電兩個小時,因此這實際上可以幫助抵消部分回收成本。另外,電力可以排放到水中,產生氫和氧。

    一旦放電,問題是是簡單地粉碎電池或拆卸它。前者具有較低的成本和時間效率,而后者則保留了更多的原生原料。

    粉碎有可能使電池中的任何剩余電荷短路,因為電池中可能含有易燃電解質。因此,它最好是在水中或惰性氣氛下進行(后者目前很受歡迎)。雖然粗分離是可能的,但與碎電池最簡單的做法是把它放在爐子里進行所謂的“高溫冶金金屬回收”。這產生了一種金屬合金的一些主要組成部分的電池,以及一個渣,其中含有鋁和鋰。像電解液和石墨電極這樣的東西只會被燒掉,降低了整個過程的能源成本。

    這仍然使金屬的化學凈化和重組成為一種適合電池使用的化學物質。但簡單性有助于提高整體成本。

    拆卸在光譜的另一端。由于電池使用的結構不同,而且工業化社會的勞動力成本較低,電池組裝仍然是一項很大程度上是手工的工作;拆卸將與之相反。當部件被移除時,磁選、過濾器和其他設備的結合將有助于產生相對純凈的單個組件流。然而,這并不是一個完美的解決方案。有些東西,比如電極中的石墨,很難與它們連接的金屬電流收集器分離。有些材料也可能有毒,需要采取廣泛的預防措施以防止接觸。

    優點是,你最終得到的是相對純凈的材料,這些材料已經以正確的化學形式在電池中使用。然而,這一過程中的一些污染物在材料重新組合成電池時會產生問題,這是有風險的?;蛘?,不管是什么問題導致電池的容量隨著時間的推移而退化,可能會迫使大量的材料再加工,然后才能使用。

    在任何情況下,電池組件的廣泛重用肯定是有潛力的,即使在我們能夠這樣做之前還有一些重大的挑戰需要解決。幸運的是,這是一個罕見的情況,當我們有大量的準備時間之前,大量的無電電池開始涌入回收中心。這意味著我們有時間讓化學家和工藝工程師找到解決這些最大挑戰的方法。


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