背景介紹

即使受到新冠肺炎疫情和芯片短缺的影響，基于鋰離子電池（LIB）的電動汽車全球銷量仍超過550萬輛，占全球汽車銷量的10%以上。預計LIBs的全球市場將以14.6%的復合年增長率增長，到2026年將達到近920億美元的規模。因此，未來十年，由于天然供應有限、冶金產能低下以及俄烏戰爭，鋰（Li）、鈷（Co）和鎳（Ni）的供應面臨巨大壓力。現在的重點是考慮現有制造商如何以更低的成本提高產量，以及如何在即將到來的繁榮中有效回收使用壽命終止的鋰離子電池。

可持續發展要求報廢的鋰離子電池不應處于其生命周期的末尾。回收對于提高鋰離子電池的可持續性、緩解對原材料可用性和全球供應鏈危機的擔憂，以及由此產生的價格波動至關重要。預計到2030年，全球鋰離子電池回收市場將達到181億美元，以8.2%的復合年增長率增長。在電動汽車的制造過程中，電池生產過程占二氧化碳排放總量的40%以上，尤其是正極材料的生產。使用廢鋰離子電池中的回收材料可以將材料生產中的總能源需求減少48%。最近，火法冶金、濕法冶金和直接再生工藝，加上拆卸、篩選、預處理、分離、純化和燃燒，是目前和擬議但尚未證明的商業規模LIB回收工藝路線的主要部分。

具體而言，火法冶金回收僅覆蓋價值低得多的金屬，并且由于高能耗、高運營成本和有害煙霧的增加而被認為是不利的。傳統的濕法冶金回收通常需要添加不同的添加劑、堿和其他化學物質的復雜過程來獲得高純度的原料，同時會產生不同的廢水，導致更惡劣的環境影響。與其他回收方法相比，直接正極再生在恢復性能、減少碳排放和緩解新材料短缺方面具有巨大價值。盡管直接正極回收仍處于實驗室規模，但預期的生產線和設備可以使用正極制造商現有的生產線，因此可以輕松實現大規模工業化，回收效率高。

成果簡介

近日，加拿大滑鐵盧大學陳忠偉院士團隊從商業制造的角度概述了廢正極材料的直接再生方法，并將直接再生工藝與典型的正極生產工藝進行了比較，以突出技術挑戰、現狀、供應鏈、碳足跡，以及直接回收的可能解決方案。從而提出了重建破產的正極制造商進行正極再生的想法，以避免重復建設并降低成本。此外，還考慮了直接正極再生方法的環境、經濟和政治影響，從中討論了直接回收是否有利可圖和可持續，是否可以形成從廢鋰離子電池到全新鋰離子電池的閉環。

圖文導讀

【圖1】鋰離子電池回收的必要性。(a) 根據比亞迪全球鋰離子電池數據庫和鋰離子電池有限的五年服務期，預計未來七年鋰離子電池的報廢容量; (b) LIBs不同成分的碳足跡和能源消耗比率。

【圖2】不同正極的比較。正極材料具有不同的晶體結構和電池化學成分，在回收過程中應妥善處理。1月份最新的LIB回收價格來自當地回收商，具有巨大的利潤潛力。

【圖3】直接正極再生工藝的未來工業化回收路線。首先，鋰離子電池的設計需要滿足電池回收的需要。建議使用自動拆卸和材料篩選來降低回收成本并提供更純的原料。以下工業設備與典型的正極生產工藝相似。

【圖4】鋰離子電池的老化機制。正極材料的性能退化主要是由過渡金屬溶解、結構坍塌和鋰離子損失引起的。

【圖5】不同直接正極回收方法的流程圖。目前，工業化的直接正極回收工藝主要有兩種，包括再鋰化到退火工藝和濕法冶金到補充到退火工藝。再鋰化工藝可分為高溫再鋰化和水熱再鋰化。

總結和展望

現有研究表明，LIB回收是防止環境污染、維持未來供應鏈和促進循環經濟的有力候選者。LIB技術正在經歷一次飛躍式的發展，尤其是在正極材料方面。原則上，所有電池組件都可以回收，具有與活性材料相似的晶體形態的再生正極材料可以重新結合到一個新的正極電極中，溫和加工條件下的直接正極回收方法是一種潛在的工藝，需要開發。此外，物理或化學分離產生的有機和金屬雜質（如PVDF粘合劑和Al顆粒）的污染問題仍需解決。需要高度純化的回收材料，可以通過使用機器人拆卸和優化電池結構來改進。直接正極回收方法也可能難以適應方法材料的變化，尤其是在正極配方在未來幾十年快速更新的情況下。為了獲得最大效率，不同的正極材料需要相應的特定再生工藝才能獲得高質量的活性材料。設計一種方法在一條路線上再生各種正極材料而不分離是非常可取的。

隨著政府對電動汽車的補貼和稅收激勵的大幅削減，電動汽車行業將以此為借口來提高性能、安全性，以及他們汽車的質量。近90%無法從容應對這一變化的鋰離子電池制造商將在未來十年被市場淘汰，而企業轉型為回收制造商是即將大量退役動力電池的突破，也是企業生存的機會。特別是對于正極制造商來說，類似的再生過程加上環境費補貼，將有助于生產線更加靈活，并降低運營成本。北美和歐洲電池制造商的供應幾乎完全依賴于亞洲的正極材料交付，相鄰的直接正極回收制造商可以進一步減少運輸成本。此外，直接正極回收是可持續電池價值鏈的重要組成部分，可以創造循環和“閉環”，以抵消原材料短缺，最大限度地減少對環境的影響，并獲得更高的利潤。正如我們現在所看到的，隨著技術的發展、原材料價格的上漲以及政府政策的引導，許多投資者都涌向電池回收。為了應對能源危機和氣候變化，直接正極回收應該是廢鋰離子電池的命運，盡管在促進大規模工業化方面仍存在一些技術和經濟困難。

審核編輯：劉清