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来源丨地球可视化研究所
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时间回到10年前，在广州郊区的一个废品场，一辆巨大的铁皮机车缓缓抬起一个巨大的铁块，下面是一辆行驶了30万公里的大众桑塔纳。 一声巨响，铁块落下，桑塔纳被彻底压碎，结束了生命。
不过，如果平时保养和正常驾驶的话，这辆大众桑塔纳还是可以健健康康的跑上几年路，几十万公里的。 但在中国，由于各种机动车政策，达不到要求，只能报废。
汽车诞生已有100多年，几乎每辆出厂的汽车都是由各种金属和沙发制成的。 要结束它们的生命，只需将它们压碎到足以恢复其原始金属形态即可。 不过，未来的汽车可能不需要执行这种残酷的死刑，因为它们的核心是电池，不能像汽车那样随便压碎。 随着全球电动汽车的快速增长，一个巨大的挑战迫在眉睫：如何处理所有的旧锂电池？
随着电动汽车安静的嗡嗡声逐渐取代内燃机的轰鸣声和有毒烟雾，我们所知道的世界将会发生变化。 加油站的浓烈气味会在没有气味的充电站中消失，而汽车就像我们的手机一样，可以根据需要为电池充电。 与此同时，遍布地平线的燃气发电站可以改造成巨大的电池，有一天可以用可再生能源为整个城市供电。
这个电气化的未来比你想象的要近得多。 通用汽车今年早些时候宣布计划到 2035 年停止销售汽油动力汽车。奥迪的目标是到 2033 年停止生产这些汽车，许多其他主要汽车公司也纷纷效仿。 事实上，据报道，到 2040 年，全球新乘用车销量的三分之二将是电动的。 由于电池存储技术的进步，世界各地的电网规模系统正在迅速发展。
虽然这听起来像是实现可持续电力和公路旅行的理想途径，但存在一个大问题。 锂（Li）离子电池目前普遍用于电动汽车和储存可再生能源的大型电池，锂电池难以回收利用。
正如预期的那样，随着对电动汽车的需求持续增长，回收更多电动汽车的动力将迅速蔓延到电池和汽车行业
一个原因是，目前使用最广泛的回收铅酸电池等传统电池的方法并不适用于锂电池。 后者通常更大、更重、更复杂，如果拆解不当甚至很危险。
在普通的电池回收厂中，电池组件被粉碎成粉末，然后将其熔化（火法冶金）或溶解在酸中（湿法冶金）。 但是锂电池是由很多不同的部件组成的，拆解不小心就会爆炸。 即使锂电池以这种方式发生故障，该产品也无法轻易重复使用。
莱斯特大学的物理化学家 说：“目前简单地切碎所有东西并试图纯化复杂混合物的方法导致生产成本低和产品价值低。” 因此，回收它们比开采它们更昂贵。 锂制造新锂的成本更高。 此外，由于大规模、廉价的锂电池回收方法落后，全球生产的锂电池中只有约 5% 被回收，这意味着大部分都被浪费了。
但随着对电动汽车的需求增加，回收更多电动汽车的动力将如预期的那样迅速蔓延到电池和汽车行业。
目前锂电池回收的缺点并不是它们造成环境压力的唯一原因。 开采锂电池所需的各种金属需要大量资源。 开采一吨锂需要 500,000 加仑（2,273,000 升）水。 在智利的阿塔卡马盐滩，锂矿开采与国家保护区的植被减少、白天温度升高和干旱情况加剧有关。 因此，尽管电动汽车可能有助于在其整个生命周期内减少二氧化碳 (CO2) 排放，但为其提供动力的电池会在其生命周期的早期产生大量的环境足迹。
然而，如果能够更有效地回收使用大约 10 年左右就会耗尽的数百万锂电池，将有助于抵消所有能源消耗。 几个实验室一直致力于改进更有效的回收方法，最终以标准化、环保的方式回收锂电池，以满足不断增长的需求。
“我们必须找到一种方法让它进入我们所说的循环生命周期，因为锂、钴和镍需要大量的电力和大量的努力来开采、提炼和制造电池。 我们不能再认为电池是一次性的，”加州大学圣地亚哥分校能源技术教授孟说。
电池有一个金属阴极或正极，它在电化学反应过程中收集电子，由锂和一些元素的混合物制成，通常包括钴、镍、锰和铁。 它还有一个阳极电池回收利用，或将电子释放到外部电路的电极，由石墨、隔膜和某种电解质制成，电解质是在阴极和阳极之间传输电子的介质。 锂离子从阳极移动到阴极会产生电流。 阴极中的金属是电池中最有价值的部分，化学家在拆解锂电池时重点保护和翻新的正是这些部分。
将锂电池想象成多层书架，Meng 说，锂离子快速穿过每个书架，每次都循环回到最上面的书架——这个过程称为嵌入。 年复一年，书架自然地开始摇摇欲坠。 因此，当像孟这样的化学家拆卸锂电池时，他们看到的是结构和材料的退化。
改善锂电池回收并最终使其组件可重复使用将为现有锂电池重新注入价值。 这就是为什么科学家们提倡孟描述的直接回收过程——因为它可以让锂电池最有价值的部分获得第二次生命，比如正极和负极。 这可以显着抵消与制造它们相关的能源、浪费和成本。
但拆解锂电池目前主要是在实验室环境中手动完成，如果直接回收要与更传统的回收方法竞争，这种情况需要改变。 “未来，拆解需要更多的技术，”阿博特说。 “如果电池是机器人组装的，按理说需要用同样的方法拆解。”
据雅培团队称，这种超声波回收方法在同一时期内处理的材料比更多传统湿法冶金方法多 100 倍。 他说，用原始材料制造新电池的成本不到一半。
我们相信这个过程可以很容易地放大并用于更大的基于网格的电池，因为它们通常具有相同的电池结构但包含更多的电池。 然而，该团队目前仅将其应用于生产废料，因为它们已经没有外壳，因此更容易从中分离出来。 尽管如此，该团队的机器人拆解测试仍在进行中。 “我们有一个目前在整个电极上工作的演示单元，我们希望在未来 18 个月内演示在生产设施中工作的自动化过程，” 说。
一些科学家主张放弃锂电池电池回收利用，转而使用可以以更环保的方式生产和分解的锂电池。 Jodie 是德克萨斯 A&M 大学的化学工程教授，一直在研究一种由有机物质制成的电池，这种电池可以按指令降解。
“由于相关的能源和劳动力成本，今天的许多电池都没有回收，”说。 “按指令降解的电池可能会简化或降低回收障碍。最终，这些降解产物可以重组为新电池，从而关闭材料生命周期循环。”
考虑到即使将锂电池拆解、部件翻新，仍有部分部件无法保存而成为废品，这也是一个合理的说法。 像团队正在研究的那样的可降解电池可能是一种更可持续的电源。
有机自由基电池 (ORB) 自 2000 年代就已问世，并借助合成的有机材料来存储和释放电子。 “有机基电池有两种[材料]，它们都充当电极，它们一起工作以存储和释放电子或能量，”解释说。
该团队使用酸将他们的 ORB 分解成氨基酸和其他副产品，但条件需要恰到好处才能让这些部分正常降解。 “最终我们发现酸在高温下起作用，”说。
然而，这种可降解电池面临着许多挑战。 制造它所需的材料很昂贵，而且它还不能提供电动汽车和电网等高需求应用所需的电力。 但也许该公司面临的最大挑战是与成熟的锂电池竞争。
“我们真的鼓励所有电池制造商对他们所有的电池进行编码，这样我们就可以通过机器人人工智能技术轻松地对它们进行分类，”孟说。 “整个领域需要共同努力才能实现这一目标。”
锂电池用于为许多不同的设备供电，从笔记本电脑到汽车再到电网，它们的化学成分因应用而异，有时变化很大。 这应该反映在它们的回收方式上。 科学家们说，电池回收厂必须将各种锂电池分成不同的过程，类似于对不同类型的塑料进行分类以进行回收，以使该过程最有效。
尽管他们面临着一场艰苦的战斗，但更可持续的电池正在缓慢但肯定地出现。 “我们已经看到市场上出现了使组装和拆卸更容易的设计，这可能是未来电池开发的一个重要主题，”雅培说。
在生产方面，电池和汽车制造商正在努力减少制造锂电池所需的材料，以帮助减少采矿过程中的能源消耗以及每个电池在其使用寿命结束时产生的废物。
电动汽车制造商也开始以多种不同方式重复使用和重新利用自己的电池。 例如，日产正在翻新旧的 Leaf 汽车电池，并将它们放入自动驾驶车辆中，由车辆将零件运送到其工厂。
电动汽车市场需求的稳步增长已经使汽车行业的公司花费数十亿美元来提高锂离子电池的可持续性。 然而，中国目前是迄今为止最大的锂电池生产国，随后在回收方面处于领先地位。
广泛采用回收锂电池的标准化方法，包括对不同类型的流进行分类，将使它们更近一步。 同时，利用人工智能技术翻新正极等最有用的部件，可以帮助锂电池部件供应不足的国家不要过度依赖中国。
开发可以与锂电池竞争的新电池也可以通过创造一些良性竞争来撼动整个行业。 “我确实认为，如果我们使电池储能产品组合多样化，尤其是电网储能，这将使世界变得更美好，”孟说。
更简单、更安全、制造成本更低且在报废时更容易分离的电池的出现是当前电动汽车可持续性问题的最终答案。 但在此类电池出现之前，规范锂电池回收是朝着正确方向迈出的重要一步。
到 2025 年左右，当数以百万计的电动汽车电池达到其初始生命周期的终点时，简化的回收过程将对世界各地的经济体更具吸引力。 因此，当电动汽车的电池成为主要交通工具时，它们很有可能会获得第二次生命。
