电池回收：如何从锂电池中回收超过95%的电池

回收锂离子电池对可持续发展至关重要：一旦它们的使用寿命结束，就必须正确处理。在这个意义上，有一些技术方面需要考虑，以使这种类型的存储设备获得 "第二次生命"。我们将在下文中探讨关键问题，从物理和化学处理之间的差异到电池再利用中通常涉及的不同阶段。

电池回收的循环过程：物理和化学处理

锂电池的回收涉及各种工艺，以回收电池成分并减少废物的数量。主要有两种类型的过程：物理和化学。

1.物理过程

物理过程是锂电池回收的一个基本部分，因为它们负责在进行化学过程之前对电池部件进行预处理。这些物理过程的基础是利用电池中存在的材料的不同物理特性，如密度、磁性和溶解度，将正极和负极材料与其他部件（如集电器和电解液）分离。

最常见的物理过程之一是拆卸电池，将电池的不同部件，如外壳、电解质和集电器分离出来。一旦分离，这些组件就会被粉碎，并进行分离处理，其中使用浮选、磁选和密度分离技术来分离电池中的不同材料。

在分离过程中，电池材料根据其物理特性被分拣成不同的馏分。例如，外壳材料可以通过磁性分离，因为它被磁铁吸引，而较重的材料，如集电器，则通过密度分离。

2.化学过程

锂电池回收的化学过程是基于通过使用溶剂、试剂和酸来提取电池的活性成分，从而分离出电池中的不同金属，如锂、钴、镍、锰等。

水冶工艺是最广泛用于回收锂电池的工艺，因为与火冶工艺相比，水冶工艺在回收金属方面具有选择性，并能减少有毒气体排放。在湿法冶金工艺中，不同的技术被用于回收锂电池材料。其中一些技术是酸浸、溶剂萃取、电积和化学沉淀。

火法冶金工艺是回收锂电池的最常见的化学加工形式之一。在这个过程中，电池的金属成分通过在高温下（通常在800-1300℃之间）熔化来回收，使不同的金属熔化并分离。这些金属以合金的形式被回收，如铜、钴、镍和铁，然后可以被提炼成高纯度的金属成分。

这种工艺的优点是相对简单，对金属材料的回收也很有成效，但不适合回收有机材料。此外，该工艺产生的炉渣可能含有各种成分，包括金属和其他材料，这可能使其难以妥善处理。 

图A 回收过程和计划 ^[1]

回收锂电池的七个过程

为了有效和低成本地回收锂电池，我们提出了7个关键步骤，这些步骤适应于电池的复杂性和每个工厂的回收策略。 

• 预选电池评估：在这个过程中，对电池进行初步评估，以确定其状况、大小和类型。它还检查不适合回收的有缺陷或损坏的电池。
• 能源回收锂电芯或电池含有能量，在处理电池进行回收之前，安全地提取这种能量是很重要的。这个过程可以去除处理电池时可能释放的危险液体和气体。

• 拆除拆解：在这个过程中，电池被拆解，以分离其组件和零件。大多数锂电池是手动拆卸的，但也在开发一些自动化流程。
• 消除污染锂电池含有危险化学品，如酸和重金属，必须仔细处理以防止其释放到环境中。在这个过程中，污染材料被清除，电池部件被净化。它包括-200°C左右的低温处理，防止在回收过程的后期阶段发生放热反应和/或热解和煅烧热处理，以去除有机和易燃成分。
• 发布一旦电池被拆解和净化，其部件就会被分离。这一过程可能涉及将电池压碎或研磨成小块，以便于分离。
• 分居分离：在这个过程中，组成电池的材料，如钴、镍、锂和铁，被分离出来。物理和化学过程被用来分离这些材料，并提纯它们以便进一步使用。
• 冶金冶炼一旦材料被分离，它们就会被提炼。这种技术可以是热法（火法冶金工艺）、化学法（湿法冶金工艺），甚至是生物法（生物冶金工艺）。

从锂电池中回收材料

比较两种锂电池回收工艺，看看火法冶金与湿法冶金，各自有什么优势？

• 火法冶金方法在能源和材料方面更加昂贵，但生产的金属可以出售。 
• 水冶方法可以产生高质量的材料，在新的电池中重新使用，使其潜在的效率更高，但它们更复杂，需要更多的步骤和化学品。

然而，湿法冶金方法在金属回收方面有很大的优势。他们可以回收高达100%的锂和钴，98%的锰和75%的铝，其形式是准备用于新电池的正/负极材料。然而，这取决于回收过程在成本和收入方面是否有利可图。

图B：用于回收镍氢、LMO和LCO电池的火法冶金和湿法冶金工艺的示例图。 ^[2]

下表介绍了几个可以通过不同的回收过程从报废的锂电池中回收的金属和产品的例子。该表还指出了可以从它们中获得的纯度，范围从90%到100%。

图C：从回收废旧Libs中获得的金属和化学品的摘要 ^[3]

该表显示，可以从不同类型的锂电池废阴极中回收纯金属（钴、镍、铜）和可用于生产新阴极材料的产品（碳酸盐、各种金属的硫酸盐和氢氧化物），如LCO（LiCoO2）、LFP（LiFePO4）、LMO（LiMn2O4）、NMC（LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2）和NCA（LiNi0.8Co0.15Al0.05O2），通过物理化学过程。

未来的回收过程

目前用于锂电池的回收过程包括从 "黑块 "中获得用于制造新活性材料的基本元素和化合物。这种黑块是仍然需要提炼的阴极和阳极材料的浆液，造成了能源和其他材料的浪费。

图D：实际的回收过程 ^[1]

为了提高效率，我们的目标是转向 "直接回收 "工艺。这旨在尽可能地直接回收活性材料，避免转化为黑块，以及需要提炼和重新合成阴阳极材料。这个过程还包括实施基于模块和电池健康状况的收集系统，这促进并加快了分类阶段。

此外，电池的机械设计将考虑到其寿命结束时的拆卸，这将有利于回收过程中的拆卸。活性材料将被尽可能地回收和再生，只有不可再生的部分将被加工成初级部件。 

与目前的工艺相比，直接回收会带来更高的能源效率，并大大减少废物。再生的材料可以在新的电池生产周期中重新使用，重新开始循环。

图E：未来的回收过程 ^[1]

为了在回收过程中达到最佳的回收效果，必须准确地选择要回收的材料和它们的具体化学成分。为了实现这一目标，需要通过标签和RFID等技术提高电池的可追溯性，这些技术可以唯一地识别电池的成分和寿命状态。然而，回收过程受到电池成本不断降低的挑战，这需要更方便和高效的回收过程。

目前，有不同的回收工艺专门针对一种类型的电池，以实现高效率。 

• 优美科和住友-索尼的流程 允许在不影响最终质量的情况下，将产品与原生材料混合后用于新电池。
• Recupyl过程 除了钴之外，还可以回收磷酸铁锂阴极。 ₄ 和LiPF电解质 ₆
• Umicore-Valéas和Sumitomo-Sony流程 电解液、塑料、有机材料、金属和石墨没有被回收直接使用，而是被部分用作建筑业的副产品，从而使其价值贬值。

目前，由于LiFePO 4和LiMn 2 O 4电池的市场价值较低，其回收是有限的，但这些化学品在能源行业的应用越来越多。随着LiFePO 4电池产量的增加，预计回收将增加，成本也将降低。此外，这种类型的电池比其他材料更安全，其使用范围有望在未来扩大。

图F：2015-2030年电池化学市场份额的预测 ^[4]

第二次生命锂电池：一个可以与回收相结合的解决方案，不应该被低估。

越来越多的研究在谈论让电动车中的报废锂电池获得第二次生命。这种解决方案包括在回收废旧电池之前，将其回收并重新用于其他用途，如能源储存。 

重复使用延长了电池的整体寿命，减少了生产、回收和处理对环境的影响。根据使用类型的不同，电池的第二寿命甚至可以超过10年。 

一般来说，"第二次生命 "的做法可以延长电池的整体寿命，减少对环境的影响，但其可行性取决于具体的应用和市场上电池的统一性。

在汽车领域，电池的生产量很大，而且比较统一，这有利于电池在使用寿命结束后重新用于其他用途。 

NCPOWER锂电池？越来越关注回收和可持续性问题

在NCPOWER，我们在企业愿景的所有方面都注重可持续发展，从工厂的能源效率到电池的设计。 

研发部门是这一战略的核心，不仅要用创新产品预测客户需求，而且要找到更环保的解决方案。 

NCPOWER在其电池中使用LFP化学，它是安全的、稳定的、完全不含钴的材料，而钴是对环境有很大影响的材料。此外，研发部门正在积极研究更加生态可持续的生产工艺和材料，以优化不同的生产步骤和电池的设计。

我们知道还有很长的路要走，但NCPOWER相信，投资于旨在提高效率和可持续性的材料和技能，可以在通往绿色社会的道路上做出巨大贡献。 

书目

^{[1] https://battery2030.eu/wp-content/uploads/2022/07/BATTERY-2030-Roadmap_Revision_FINAL.pdf}

^{[2] https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/cs /c8cs00297e/}

^{[3] https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.07.116}

^{[4] Wood Mackenzie的储能服务}