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    回收后的汽车电池,会成为手机电池吗?

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    • Lv.11巨型病毒
      牛顿

      现代的低头一族们最害怕的事,不是4G信号不好,不是流量不够用,而是——手机没电。作为信息社会的生命线,一部智能手机必须要有一块耐用的电池。不过,你有没有想过,我们新买来的手机所用的电池,很可能不是“一手”的,而是电动汽车已经使用过的一部分?

      一部小米S 10的电池含锂量大约为1.4克,而一个汽车电池则需要大致8千克的锂,35千克的镍,20千克的锰和14千克的钴。也就是说,一个汽车电池所使用的锂,大约能供5700台手机使用。如此庞大的消耗,让科学家们不得不考虑,靠现在的锂矿产能,能满足日益增加的电池需求吗?而其中一个必然的解决方案,就是锂电池回收。

      身负重任的锂电池

      国际能源机构(IEA)五月发布的一份报告称,在本世纪中叶,全球将有能力实现温室气体0排放。在这份报告中,电力出行就是0排放的基石。IEA的自信反映出各国的政策决定者、研究者和制造商逐渐在电力出行上达成了一致。要想维持气候变化在一个可控的范围内,清洁能源的发展刻不容缓,而锂电池就是其中的翘楚。为了趟上环保的热潮,在今年年初,美国汽车巨头通用汽车宣布到2035年将停止售卖汽油动力车,而德国的奥迪则计划在2033之前就停止生产这类汽车。现在,很多其他跨国汽车公司也公布了类似的路线图。可以说,原本正拖着自己的身体、有一步没一步地往电动化挪动的汽车公司们突然间就开始向出口狂奔。

      电动车就是世界的前景,研究锂电池的材料学家们为此正直面两个挑战。第一个挑战是如何才能减少电池中使用的稀缺或者有害金属,另一个则是改进电池的回收过程,让汽车电池中的高价值金属能被有效再利用。而回收高价值金属正是当下的重点。

      高能量电池,非“锂”不可?

      锂电池使用非常广泛,导致我们很容易产生错觉,以为锂资源很丰富。实际上,锂矿的分布很不均匀,世界主要的锂矿在南美洲,我国的锂资源是很稀缺的。而锂电池,在目前电池技术中具有不可取代的地位。

      在锂电池内部,锂离子从电池的阳极游离到阴极,来产生电能。阴极是影响电池性能的主要因素,在阴极所使用的金属也是最珍贵的。一般的锂电池阴极是一层包含着微观晶体的胶状物,这些微观晶体都是在地壳和地幔中自然形成的橄榄石和尖晶石。这些晶体能让带负电荷的氧和带正电荷的锂、镍、锰和钴配对。

      给电池充电就是将锂离子从氧化的晶体中分离出来,并拉到石墨端的阳极来进行储存。锂的电子则随着锂离子的游走同时在外部电路里流通,整个运动就像颠倒的沙漏中的沙子一样。其他元素在“沙漏”里大多都不能像锂这样,提供足够的“沙子”,也就达不到与之相当的能量密度。而且使用锂不会产生二氧化碳,对我们来说也相对便宜。研究者们认为目前还没有比使用锂更好的选择。

      而锂电池中用到的主要原料,除了锂,还有镍、钴、锰。这三种材料在我国都是极度依赖进口的。而且使用钴是一个严重的问题。钴是一种有毒金属,全球三分之二的钴都开采自刚果,无论是开采还是回收的过程都很容易产生化学危害。

      很多实验室都在尝试降低钴的使用量或完全不使用钴。但这样的材料很难保持稳定,电池储存的能量密度通常也都会下降。也就是说,这样的电池很容易没电。在近日里已经有两个团队研究出了新的无钴稳定材料,但目前仍停留在实验阶段,学界对此持乐观态度。

      在另一方面,镍也是制造锂电池必需的一种稀有金属,研究者们也想把它从电池中替换掉。他们已经发现了一种替代方案,那就是使用不规则矿盐。在过去的几十年里,相关团队已经发现特定的富锂矿盐可以轻松让锂流动。这样的不规则矿盐并不需要钴或镍来维持稳定性,并且还可以用锰来制成。

      回收锂电池的国际竞争

      就目前而言,留给锂电池回收技术的发展时间还很充裕,而且回报也会很可观。

      锂本身并不是稀有金属,并且锂电池的市场还没有达到它的最大规模,部分原因是锂电池实在太耐用了。现在的汽车电池可能可以使用20年,甚至超过了汽车本身的使用寿命。废弃的锂电池如果经过适当的回收完全可以用于功耗更低的设备上,比如说手机。这给锂电池的回收提供了广阔的开发空间,研究者们正努力把锂的回收过程改进得更经济。

      在大量生产锂电池的中国、日本、韩国,锂电池回收技术已相当成熟。广东邦普是中国最大的锂电池制造商,它每年能回收十二万吨的电池。这相当于超过二十万辆电动车使用的锂、钴、镍都能够被有效再利用。中国的政策正在鼓励回收电池,摆脱对进口原材料矿石的依赖。

      在这些典型的回收过程中,电池首先被机器撕碎,成为了一团金属混合物后再被分解为构成它的基本元素。这个过程要么是用熔炉来融化(火法冶炼),要么是用强酸来溶解(湿法冶炼)。最后,金属就会以晶体的形式从溶液中析出。欧洲委员会起草了一份在2023年就可以生效的严格的回收电池条例,尽管他们发展回收工业的可能性并不高。与此同时,美国总统拜登也想花费数十亿美元来培养当地的电池制造和回收工厂,但只有少数美国公司声称他们已经能将锂电池的回收成本压低到和开采矿物一致。当然了,这仅是对回收还在使用钴的锂电池而言。

      不同于常规的湿法或火法冶炼,有的公司采取了更激进的回收方法,那就是直接提取阴极晶体。美国公司 ReCell,正在开发可以让回收机提取阴极晶体的技术。这项技术可以轻松地将镍、锰和钴从其他电池中分离出来。但也因为如此,他们很难将两种金属相同、比例不同的电池进行分离。

      来自莱彻斯特大学的英国材料学家安德鲁·阿尔伯特则认为,如果跳过回收中的粉碎电池过程,直接拆解电池将大大压低成本。他和同僚们已经能用超声波来分离电池,但该方法仅对扁平的电池来说最有效。而通常的电池都是圆筒状。

      准欧洲委员会起草了一份在2023年就可以生效的严格的回收电池条例,尽管他们发展回收工业的可能性并不高。与此同时,美国总统拜登也想花费数十亿美元来培养当地的电池制造和回收工厂,但只有少数美国公司声称他们已经能将锂电池的回收成本压低到和开采矿物一致。当然了,这仅是对回收还在使用钴的锂电池而言。

      不同于常规的湿法或火法冶炼,有的公司采取了更激进的回收方法,那就是直接提取阴极晶体。美国公司 ReCell,正在开发可以让回收机提取阴极晶体的技术。这项技术可以轻松地将镍、锰和钴从其他电池中分离出来。但也因为如此,他们很难将两种金属相同、比例不同的电池进行分离。

      来自莱彻斯特大学的英国材料学家安德鲁·阿尔伯特则认为,如果跳过回收中的粉碎电池过程,直接拆解电池将大大压低成本。他和同僚们已经能用超声波来分离电池,但该方法仅对扁平的电池来说最有效。而通常的电池都是圆筒状。

      图片

      准可预见的未来

      曾经,传统的汽油动力车使用的是铅酸电池。众所周知,铅是有毒的,这些铅酸电池被归类为有毒有害废物而被回收。不过,就算不进行回收,铅酸电池的成本也比锂电池的低,但厂家仍然建立了一套成熟有效的电池回收体系,以此降低了成本。最后98%的铅酸电池都被回收再利用了。

      今天,更昂贵的锂电池没有理由不去回收,尤其是在锂资源产能还有很大的提升空间的当下。

      考虑到日趋严峻的气候变化形势,以及各国减少碳排放的决心,对应到给出的各种政策支持和实际投入,锂电池的低成本回收,几乎必然会落实。而我们手机电池中使用“二手”锂,也将变得司空见惯。

      选自中科院物理所

      Lv.2中微子
      不管你在研究什么事物,或是在思考任何观点,永远不要相信那些你愿意相信的事情,仅仅去审视,而要多问问自己事实是什么?以及这些事实所证实的真理又是什么?——伯特兰•罗素你端坐在那里,我才知道我有多么浅薄,我曾忘情于两汉的歌赋,我曾惊讶于唐宋诗词,也曾流连于宋元的曲牌,如今而你才是人世间真正的圣人。
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      跨界认知研究者-探索人文与自然的链接

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