電動車前方的一大「路障」:報廢的鋰電池怎麼辦?

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電池
電動汽車需求大漲,因而帶動鋰電池的生產也不斷升高,但是如何處理報廢舊電池卻是一個令人頭痛的大問題(Credit: Getty Images)

當公路上燃油汽車內燃機產生的震動和排放的有毒氣體正逐漸被電動汽車的平穩和靜音所取代之時,我們所熟悉的世界將會發生很多變化。加油站的刺鼻氣味將逐漸消失,取而代之的是提供汽車隨時可以充電但卻無刺鼻氣味的充電站。同時,天邊隨處可見的天然氣發電站也可能會重建為能容納大型電池的電站,這些大型電池有朝一日可以作為再生能源為整個城市提供電力。

汽車電氣化的到來比我們原想象的要快得多。美國通用汽車2021年年初宣佈,計劃在2035年前停止銷售汽油動力汽車。德國汽車製造商奧迪的目標是到2033年停止生產燃油車,其他大型汽車公司也紛紛跟隨。據彭博財經社報道,到2040年,全球三分之二的載人汽車將會是電動車。由於電池儲電技術的進步,全球電網的電池儲電系統也正在迅速發展。

雖然汽車電氣化的到來聽來像是實現可持續能源和公路環保旅行最理想不過的路徑,但有一個大問題成為實現理想的障礙。目前,通常用於電動車和存儲可再生能源的超大容量電池是鋰離子電池(簡稱鋰電池),而鋰電池很難做到回收利用。

一個原因是,現在廣泛適用於傳統電池,如鉛酸電池的回收技術,無法用於鋰電池的回收。鋰電池比前者更大和更重、而且構造更複雜,如果拆開方法不當,甚至會有危險。

在一般的電池回收工廠中,電池零件先被粉碎成粉狀顆粒,然後再加以熔化(即火法冶金),或溶解到酸液中(即濕法冶金),以回收其中的金屬物。而鋰電池則由很多不同的部件組成,如果不小心拆卸,這些部件可能會爆炸。即使鋰電池按一般電池作分解,分解出來的產品也很難回收再用。

英國萊斯特大學(University of Leicester)的物理化學家安德魯·阿伯特(Andrew Abbott)說,「目前的電池回收方法只是簡單地將所有東西粉碎,然後再提取精煉複雜的混合物,這一回收過程成本高,但成功回收的產品價值卻不高。」因此,回收鋰電池的成本比開採更多金屬鋰來生產新鋰電池的成本還要大。此外,由於大規模廉價回收鋰電池的方式相當落後,全球只有大約5%的鋰電池能夠回收。換言之,大多數鋰電池最後都成了垃圾廢品。

不過隨著對電動汽車的需求不斷升級,就如預計所料,電池業和汽車行業很快將會有更大的動力回收更多的電動車電池。

金屬鋰
金屬鋰的提取和加工需要大量的水和能源,這會造成鋰電池廠附近的環境問題(Credit: Reuters)

鋰電池的回收還不是造成環境壓力的唯一原因。開採鋰電池所需的各種金屬需要大量資源。開採一噸鋰需要消耗50萬加侖的水。在智利的阿塔卡馬鹽灘(Atacama Salt Flats),因為開採鋰礦,結果造成植被減少、白天氣溫升高,以及所在的國家保護區乾旱日益嚴重等環保問題。因此,儘管電動汽車可以有助於減少二氧化碳的排放,但為其提供動力的電池一開始就對環境造成了很大的影響。

鋰電池使用大約10年就會報廢,如果能有效回收報廢的千百萬塊鋰電池,將有助於中和生產及回收鋰電池所消耗的能源。現已有好一些科研實驗室在改進更有效的回收方法,一旦成功,最終能找到一個既標凖化也很環保的回收技術,就能充分迎接鋰電池需求量大增時代的到來。

加州大學聖地亞哥分校(University of California, San Diego)的能源技術教授孟穎(Shirley Meng)說,「我們必須找到方法讓鋰電池進入我們所說的循環生命週期,因為鋰、鈷和鎳需要大量的電力和大量的工作來開採、提煉和製造電池。我們不能再把鋰電池當作一次性使用的產品。」

如何回收鋰電池

鋰電池有一個金屬陰極裝置,或稱為正極,由鋰和一些混合元素組成,通常包括鈷、鎳、錳和鐵,其作用是在電化學反應中接受電子。鋰電池還有一個陽極裝置,或稱負極,由石墨、分離器和某種電解液組成,功能是將陰極的電子釋放到外部電路。電解液作用是充當陽極到陰極之間傳輸鋰離子而形成電流的介質。陰極中的金屬是電池最有價值的部分,這是化學家拆卸鋰電池時主要保存和提煉的物質。

孟穎說,可以把鋰離子電池想象成一個有許多層隔的書架,而鋰離子會經過書架每一層快速移動,每次循環都會回到最上面的一層,這個化學過程被稱為插層,或曰嵌入。經歷多年的不斷嵌入後,這個鋰電池書架自然會崩壞坍塌。所以當化學家如孟穎等拆卸這個用了幾年的鋰電池時,他們在鋰電池結構和材料上所看到的就是這種退化。

孟穎說,「我們可以找到其中的機制,通過加熱或某種化學處理方法,把這個鋰電池書架重新組裝起來。因此,我們可以把這些回收和翻新的金屬材料送回到鋰電池工廠的裝配線,生產新的電池。」

電池
鋰離子電池內部比鉛酸電池複雜,是由許多精心組裝的部件組成(Credit: Getty Images)

改善鋰電池的回收利用,並最終實現可重覆使用其部件,將會為價值頗高的鋰電池再增加新的價值。這就是為什麼科學家們要提倡直接回收再用,如孟穎所說,因為直接回收可以給鋰電池的價值最高部件,即陰極和陽極材料予第二次生命。這可以顯著抵消製造鋰電池所消耗的能源和廢料,以及付出的成本。

但目前鋰電池的拆卸主要還只能是實驗室中靠人手完成,如果直接回收利用要與較傳統的回收方法相競爭,就需要改變人手拆卸這種低效率的方法。阿伯特說:「未來需要技術含量較高的拆卸法。如果用機器人組裝電池,那麼以同樣的方式予以拆卸也是合邏輯的。」

阿伯特在英國法拉第研究所(Faraday Institution)的團隊正在研發機器人拆卸鋰電池的技術,這是專門研究鋰電池的回收和再利用計劃ReLib Project的一部分。這個研究團隊還發現了一種利用超聲波探頭實現陽極端和陰極端直接回收的方法。他解釋道,「就象牙醫清潔牙齒一樣,用超聲波聚焦在正負兩個電極板表面,使內層產生微小的氣泡,然後發生內爆,將表面的塗層炸離。」這一過程維護了這兩個重要部件的完整,避免了以往必須完全拆解因而使得回收大不易這個難題。

根據阿伯特團隊的研究,在同樣長的時間,這種超聲波回收方法可以比傳統的濕法冶金方法多處理100倍的材料。他說,這種回收技術所耗成本甚至還不到用原始材料製造新電池成本的一半。

阿伯特認為,超聲波回收技術很容易作規模性回收,可運用於為電網儲電的大型電池,因為這種電池的結構通常與電動車電池相同,只是包含更多的電池組而已。不過這個研究團隊目前只將超聲波回收技術應用於比較容易拆卸的報廢電池,因為這些電池已經沒有外殼。不過,研究團隊也在加強測試機器人拆解技術。阿伯特說,「我們有一個演示的機器人,目前在展示回收整個電極的工作。我們希望在未來的18個月能夠展示在生產線工作的自動化流程。」

可降解的電池

一些科學家正在提倡拋棄鋰電池,轉為使用能夠以較環保的方式生產和分解的電池。美國德州農工大學(Texas A&M University)的化學工程教授朱迪·盧肯豪斯(Jodie Lutkenhaus)一直在研究一種由有機物質製成可以按指令降解的電池。

盧肯豪斯說,「由於相關的能源和勞動力成本,今天許多電池是無法回收的。而按指令可降解的電池可以簡化或降低回收的障礙。最終,這些降解產物可以被重新組裝成新的電池,從而結束電池材料最後只能報廢的結局。」

這是相當合理的論點,因為即使拆卸鋰電池後有一些部件可以翻新再用,但仍然會有一些部分無法保存而永遠報廢。盧肯豪斯團隊正在研究的可降解電池可能是一種可持續性更強的能源手段。

這種名叫有機自由基電池(ORBS)的可降解電池在21世紀初已問世,其機制是通過合成有機材料來存儲和釋放電量。盧肯豪斯解釋說。「有機自由基電池有兩種這樣的有機物,都能作為電極材料,協同存儲和釋放電子或能量。」

這個研究小組使用一種酸將有機電池分解成氨基酸和其他副產品,不過需要恰到好處的環境條件才能正常降解。盧肯豪斯說,「最終,我們發現酸在高溫下能起降解作用。」

然而,這種可降解電池還面臨著許多挑戰。首先所需的材料非常昂貴,其次還不能提供電動汽車和電網這類需求高電量的電池。不過並非僅止於此,盧肯豪斯等科學家研發的可降解電池面臨的最大挑戰可能是如何與已經規模生產廣泛應用的鋰電池相競爭。

電動汽車
未來幾十年對電動汽車的需求會大量激增,因此回收電池的需求也將增長(Credit: Getty Images)

科學家推動直接回收鋰電池的下一步是與電池製造商和回收工廠合作,簡化從建造到分解的過程。

孟穎說,「我們鼓勵所有的電池製造商給所有的電池貼上條形碼,有了人工智能機器人技術,我們可以很容易揀選電池。這需要整個領域的合作才能實現。」

鋰電池用來為眾多不同的設備供電,比如筆記本電腦、電動汽車,以及輸電網等,因而鋰電池的化學組成因用途不同會有所區別,有時差異會很大。這使得回收也應該有不同方式。科學家說,電池回收工廠必須將各種鋰電池分成不同的工作流程,就像塑料回收要對不同類型的塑料進行分類一樣,這樣才能使回收過程最為有效。

儘管科學家的研發面臨著重重困難,可持續性更強的電池正緩慢而穩步地進入市場。阿伯特說,「我們已經可以看到,組裝和拆卸較容易的設計已經進入市場,這很可能是未來電池發展的一個重要主題。」

在生產方面,電池和汽車製造商正在努力減少製造鋰電池所需的材料,以幫助減少採礦過程中的能源消耗,以及每個電池在壽命結束時產生的廢物。

電動汽車製造商也開始以各種不同的方式回收和翻新再用自產汽車的電池。例如,日產汽車翻新聆風(Leaf)電動汽車的舊電池,然後安裝在將零部件運送到日產工廠組裝線的自動導航車輛上。

前方有減速帶

電動汽車市場需求的穩步增長,已經促使整個汽車行業花費數十億美元來提高鋰電池的可持續性。中國目前是鋰電池的最大生產國,因此在回收領域也有能力領先同業。

鋰電池
中國現在是鋰電池的最大生產國,電池回收也有領先的潛力(Credit: Getty Images)

如果廣泛採用標凖化回收鋰電池技術,包括對不同類型的鋰電池進行分流處理,這將使中國往電池回收領先世界的目標邁進一大步。與此同時,利用人工智能技術翻新陰極等最有用的部件,可能有助於鋰電池零部件供應較少的國家不必過於依賴中國。

開發可與鋰電池相抗衡的新電池,也會為電池業創造健康的競爭環境,從而撼動這個行業。孟穎說,「我確實認為,如果我們對電池存儲技術,尤其是網格存儲作分散多樣投資,會讓這個世界變得更好。」

解決當前電動汽車可持續發展問題的最終答案,是要找到一種不那麼複雜但卻比較安全,製造成本較低但壽命結束後卻較易分解的電池。但在這種理想電池問世之前,鋰電池回收技術標凖化是朝著正確方向邁出的重要一步。

到2025年左右,數以百萬計的電動汽車的電池將達到其初始壽命週期完結之時,因此一個簡單而高效率的電池回收流程對全世界的經濟體都會深具吸引力。所以,當電動汽車成為人類主要交通工具的時候,很有可能那時電動車電池將不會壽終正寢,而會獲得第二次生命,重新啟動汽車馳上公路。

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