新增长机遇:锂离子电池回收技术

Zach Baum, Information Scientist, CAS
lithium ion battery recycling

就在十多年前,《自然》杂志上发表的一篇论文提出了这样一个问题:“锂会是新的‘黄金’吗?”该问题是基于锂金属在锂离子电池 (LIBs) 中的应用,及锂的储量和需求的不确定性而提出的。 如今,“黑色物质”——从锂离子电池中回收的富含金属的材料,有可能会成为锂离子市场的新“黄金”。 全球锂离子电池市场总值为 410 亿美元,预计到 2030 年将增加到超过 1160 亿美元。

预计到 2040 年,全球销售的汽车中有 58% 将是电动车,而电动汽车产生的废物总量可能将高达 800 万吨。 尽管如此,目前在全球范围内,只有大约 5% 的锂离子电池被回收利用,这引起了人们对环境以及地球的矿产储量的担忧。

正如我们在 CAS 最新的白皮书中所探讨的:因为锂离子电池的回收受到各种因素的限制,包括电池材料的财务价值波动、电池设计和材料缺乏技术融合(以及相关的回收劳动力成本)、回收工厂内部的问题。 而回收效益(包括物质保障、安全和环境效益)货币化的不足,以及世界上大部分地区回收法规的缺乏,也都是锂电池回收受限的原因。

我们准备好面对锂离子电池回收的挑战了吗?

锂离子电池回收的挑战伴随着巨大的增长机遇。 比如,从 2019 年全球生产的预计可回收的 50 万吨电池中,可以回收到以下原材料:1.5 万吨铝、3.5 万吨磷、4.5 万吨铜、6 万吨钴、7.5 万吨锂和 9 万吨铁,——这些将提供物质安全保障并带来显著的经济和环境效益。

正如 CAS 白皮书中所讨论的,人们对锂离子电池回收利用的兴趣正在迅速增长——这从“黑色物质”在大众兴趣中的迅速流行就不难看出。 使用 CAS 内容合集™ 我们能够基于已发表的关于锂离子电池回收的期刊和专利出版物来提供独特的见解,发现充电电池领域的新发展趋势,对一次性材料进行再利用,并预测未来存在的机遇。

目前使用的锂离子电池回收方法有哪些?

在大多数情况下,人们利用湿法冶金和火法冶金相结合的方法处理锂离子电池,然而直接回收法正越来越受欢迎(正如本文接下来将探讨的那样)。 湿法冶金利用溶液(主要是水溶液)从电池中提取和分离金属。 火法冶金是利用热量将电池材料中使用的金属氧化物转化为金属或金属化合物。 直接回收是去除阴极材料,以便再利用或修复。

三种锂离子电池回收方法
图 1. 三种锂离子电池回收方法。 


锂循环研究呈日益增长趋势

虽然全球科学出版物数量在过去十年中一直在稳步增长,但我们发现,以锂循环为主题的出版物数量的年增长率 (32%) 远远超过了总体科学出版物的年增长率 (4%),这表明对锂循环的研究兴趣正在兴起。

与之相一致的是,有关锂离子电池回收三种方法的出版物数量在过去十年中总体上都有所增加,并且在近年来显著增加(图 2),其中中国的期刊和专利数量遥遥领先(约占 90%;图 3)。

2010-2021 年期间,每种锂离子电池回收方法的出版物数量
图 2. 2010-2021 年期间,每种锂离子电池回收方法的出版物数量。


 

2010-2021 年间不同国家/地区有关锂离子电池回收的出版物数量
图 3. 2010-2021 年间不同国家/地区有关锂离子电池回收的出版物数量。


就具体工艺而言,2015 年之后,湿法冶金的发展已经远远超过了火法冶金,而且,令人鼓舞的是,有关直接回收法的出版物最近也出现了大幅的增长(图 2)。 对于之前研究较少的锂离子电池组件(启示了一种新兴的、更全面的回收管理思路)和锂离子电池拆卸(图 4),也有了大量的研究。 这是好现象,因为它最大限度地提高了可回收材料的数量。

研究非阴极材料回收和回收工艺优化的出版物数量
图 4. 研究非阴极材料回收和回收工艺优化的出版物数量。


全球的锂离子电池回收能力现状

当前锂离子电池的回收能力集中在东亚,其中中国拥有当前全球一半以上的锂离子电池回收能力,欧洲拥有剩余的大部分锂离子电池回收能力(图 5)。 拟议中的锂离子电池回收设施将带来回收能力约 25% 的增加。大部分确定的新增回收能力集中在北美。 当前回收能力的分布与锂离子电池回收法规的效力相一致,而未来回收能力的位置分布则更符合经济动机。

截至 2021 年 11 月,已建立并计划建立的全球锂离子电池回收设施
图 5. 截至 2021 年 11 月,已建立并计划建立的全球锂离子电池回收设施。

 

全球锂离子电池回收法规现状

总体而言,锂离子电池回收法规正在增多;许多国家为锂离子电池回收方法研究拨款,而且各国设立了锂离子电池回收法律,其中中国和欧盟已经拥有或颁布了锂离子电池回收的综合监管框架。 随着全球锂离子电池使用的持续增长(如在电动汽车、手机中),加之人们对锂离子电池回收管理越来越重视,这些法规方面的进展令人对未来充满希望。

请阅读我们的 CAS 洞察报告,了解锂离子电池回收研究的趋势概述;报告中评估了全球相关法规和经济效益现状,并提供了对全球锂离子电池回收的现状和未来趋势的见解。

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