【科技】EES今日最新发文：电池循环设计提高电池寿命和直接回收能力
第一作者：Andreas Wolf
通讯作者：Guinevere A. Giffin
通讯单位：德国弗劳恩霍夫硅酸盐研究所
【成果简介】
电池价值链中的可持续性是一个常被讨论的目标，但目前它排在成本和性能之后位列第三。历史上，提高可持续性通常会在成本和性能上带来惩罚，但这种相互作用在未来几年肯定会发展变化。其中，由立法框架推动的生态和社会因素保证了锂离子电池（LIBs）的回收利用，以防止危险废物进入垃圾填埋场。电动汽车（EV）领域向低成本化学成分如磷酸铁锂（LFP）的发展趋势是一把双刃剑，因为这些材料的回收盈利性对于既定的回收方法来说极低。延长电池寿命和实现直接回收，其中负极和正极材料保持其结构和功能，是提高可持续性盈利性的关键策略。然而，它们的实施需要转变LIB设计优先级。
在此，德国弗劳恩霍夫硅酸盐研究所Guinevere A. Giffin教授等人强调了循环设计作为提高电池寿命和直接回收能力的因素，是降低成本和同时提高LIB生产和处置可持续性的关键转折点。同时概述了电池生产中的挑战和机遇，特别关注欧洲电动汽车领域，并定义了价值链上各利益相关者所需的行动，以克服线性经济的思维定势。
相关研究成果以“Circular battery design: investing in sustainability and profitability”为题发表在Energy Environ. Sci.上。
【研究背景】
在2024年，锂离子电池（LIB）在汽车行业的普及是无可争议的，并且这种趋势无法被阻止。电动汽车（EV）市场正在迅速增长，预计到2030年，全球道路上的电动汽车数量将达到1.4亿辆。相应地，达到寿命终点（EoL）的退役电动汽车电池的数量也在增加。到2040年，电动汽车电池的年返回率预计将达到340000吨。这些废弃的LIB既是危险废物，也是以浓缩形式存在的稀缺原材料的宝贵来源。因此，LIB回收的必要性和机会是显而易见的。
如今存在多种不同的回收方法。最常见的是火法和湿法冶金回收，但直接回收正在吸引更多关注，并在各种欧洲发展路线图中占据突出地位。火法冶金回收基于高温熔炼炉，只回收最有价值的金属。尽管这个过程以其简单性和技术成熟度而闻名，但缺点包括高能耗和对高价值金属如钴和镍的经济盈利性的高度依赖。对于湿法冶金回收，电池模块大多被粉碎并分类为材料分数，如塑料、金属基底/外壳和黑粉，后者主要是负极和正极活性材料的混合物。然而，直接回收工艺复杂，并且不能在短期内提供高技术水平。一些公司和初创企业已决定开始直接回收，但大多数努力仅涵盖初步的粉碎或拆卸过程。在实验室规模上，将CAM再生为高质量的最新活性材料以完全封闭循环的过程。尽管向LFP的趋势意味着原材料的临界性降低，但它在循环性方面是一把双刃剑。没有镍和钴等稀缺和高价值元素的存在，LIB回收的利润就较低。特别是，专注于回收最有价值的元素的火法和湿法冶金回收路线对基于LFP的LIB来说并不盈利。因此，目前的重点是最大限度地延长基于LFP的电池在第一和第二生命周期应用中的使用寿命。虽然这可能会推迟它们的EoL，但不可避免的是，在长期的未来，大量废弃的LIB将包含在这种情况下被认为是低成本元素的高份额。由于电池的垃圾填埋场可能被视为环境灾难，需要避免，因此至关重要的是要使LFP和其他未来低成本电池系统的回收尽可能有利可图。与回收设计不同，循环设计还包括诸如重用、维修、翻新和再制造等策略，以及有效的第二生命周期应用的重新利用（图1），短期内实施这些循环设计特征可能需要标准化和性能或成本的权衡。
【研究内容】
通过这项工作，本文旨在阐明一条克服将LIB回收仅视为EoL问题的过时框架的路线。基于R9循环经济框架，详细阐述了循环设计的重要性，作为盈利性LIB回收的关键使能因素，最终最大化可持续性，同时降低成本。同时，本文讨论了当前以性能和成本设计与可持续性设计之间的权衡关系将如何随着时间的推移而发展，通过区分仅关注性能和成本的情景与涉及早期投资于循环设计的替代方法。由于对循环电池设计的承诺可以且应该是一项有利可图的长期投资，详细说明了每个研究阶段实施循环设计所需的必要贡献。最后，确定了需要激励的工业利益相关者，以提高直接LIB回收的技术准备水平，特别关注欧洲EV电池领域。虽然本文所述的更循环的电池设计对未来发展电池生态系统的总体影响对全球电池生态系统都是正确的，但由于初级资源的可获得性低和能源成本高，它对欧洲生态系统尤为明显。
循环性设计作为循环电池经济的关键推动因素
可持续性通常涉及社会、环境和经济三个方面，作者主要关注环境层面，特别是通过全球变暖潜能（GWP）来衡量。电池生态系统的其他方面，如资源可用性和移动性，也与可持续性的社会和经济层面相关。过去几十年中，循环经济被认为是创建更可持续社会和减轻地球资源压力的关键工具。然而，循环经济的定义一直在变化，循环性并不总是意味着可持续性，有时甚至可能以牺牲可持续性为代价。与化石燃料不同，锂离子电池（LIBs）是理论上可以成为循环产品的能量存储设备。从生态角度来看，将LIB市场从线性经济转变为更循环的经济模式，有助于避免危险废物造成的环境损害。但目前全球LIB市场仍然遵循线性经济的模式，制造成本和性能在运营期间被优化，而回收主要被视为产品寿命终结时的问题。
R9框架为循环经济提供了十个策略（R0-R9），以增加产品的循环性。这些策略与电池的寿命周期相对应，包括从拒绝、重新思考、减少、重用、维修、翻新、再制造、再利用、回收和恢复。这些策略旨在减少材料使用、延长产品和组件的使用寿命，以及在产品使用后循环利用材料。特别是，设计和制造阶段（R0-R2）对于后续策略（R3-R9）的实施至关重要。循环设计主要源自于重新思考产品的使用，并从一开始就考虑回收。这对于延长电池的第一和第二寿命，以及实现直接回收的潜力至关重要。文章强调，对于成本导向的材料（如磷酸铁锂LFP）和性能导向的材料（如镍钴锰氧化物NMC），延长电池的使用寿命和实现高效回收至关重要。循环设计对于所有电池化学成分的电池都非常重要，但对于成本导向的电池化学成分，其优势更为明显。
随着时间的推移，电池设计的性能、成本和可持续性的相互作用
为了推动长期的循环经济，需要在研究、政治、工业乃至中等教育中考虑循环性。短期内，政策制定者需要通过立法框架激励行业，为更循环的电池设计提供财政优势。中国和欧洲已经制定了多项法规来管理锂电池的回收，而美国则主要在州一级进行立法控制。新的欧盟电池法规提出了到2027年和2031年从废电池中回收材料的雄心勃勃的最低目标，并规定了新电池中必须包含的最低回收含量水平，强调了生产者责任延伸（EPR）的概念。目前，锂电池市场仍然遵循线性经济模式，总成本包括原材料、活性材料合成、电池制造、系统集成和安全特性。行业目标是在最小化成本的同时最大化性能，这导致了磷酸铁锂（LFP）的大规模采用。LFP被认为是一种成本设计材料，而镍钴锰氧化物（NMC）则是一种性能设计材料。文章提出了可持续性作为成本和性能之外的第三个关键维度，并评估了当前和未来的锂电池设计如何影响这三个方面。
短期内，预计性能提升和成本降低的趋势将继续。然而，这种盈利能力很大程度上取决于阴极材料的化学成分和原材料价格。由于EoL电池和生产废料的体积不断增加，分析师开始为回收材料和EoL锂电池建立价格指数，以提高回收材料的可交易性，并分析成本和盈利潜力。此外，文章还讨论了直接回收的技术可行性，强调了循环设计的重要性。如果没有循环设计，直接回收将不可行，而火法和湿法冶金过程可能继续用于回收和回收，这可能缺乏对LFP的盈利性。EPR概念将废物管理的费用纳入整体锂电池成本，增加了对循环设计的需求。在欧盟，保持正极材料的高价值形态可以减少对外部的依赖，并增强欧盟锂电池生态系统对原材料和能源成本上涨以及全球供应链波动的抵抗力。总的来说，作者强调了循环电池设计对于提高可持续性、降低成本和增强锂电池市场竞争力的潜力，同时也指出了实现这一目标所面临的挑战和需要的政策支持。
循环设计电池的步骤：价值链中研究和利益相关者的贡献
为了实现循环电池的设计，主要挑战在于在不显著影响性能和制造成本的前提下，使电池能够适应循环利用的需求。研究人员需要开发支持这一目标的技术，而工业界则需要实施这些技术，并配合市场营销策略来提升消费者对循环电池的认识和接受度。这种意识的改变需要通过教育和文化的改变来实现，并且可能需要数十年时间。循环电池的设计需要从电池系统到活性材料颗粒的各个层面考虑，以实现电池的最大化利用和回收。在电池的生命周期结束时，需要决定是将其用于第二生命周期的应用还是进行回收。这将取决于回收的经济性和电池的剩余价值。
为了实现有效的回收，电池管理系统（BMS）和电池护照对于提供电池的健康状态和化学成分等数据至关重要。这些数据将帮助决定电池的最佳回收路径。理想的回收过程应该能够将电池组件恢复到接近其原始状态的高纯度材料。电池的设计还需要考虑便于拆卸和分离，以实现自动化回收，减少手动操作和提高回收效率。这可能需要电池设计和格式的标准化。此外，电池的直接回收需要关注不仅回收金属含量组件，还要回收其他有价值的材料，如阳极、电解液和导电碳等。在回收过程中，需要特别注意阴极活性材料（CAM）的再生，以修复在电池使用或回收过程中发生的退化。再生的CAM需要满足严格的质量要求，以确保其能够再次用于电极。
总的来说，循环电池的设计需要在制造效率和循环利用之间找到平衡，同时确保电池在回收过程中能够产生高纯度的材料流。这需要价值链上所有利益相关者的紧密合作，以及明确的标准和数据透明度，以实现电池材料的最优回收和再利用。
【结论展望】
综上所述，未来几十年将考验电池行业是否能够并愿意超越传统线性经济的局限，即在成本和性能之后考虑可持续性。随着低成本化学成分（如磷酸铁锂LFP）在电池市场占比的增加，虽然对回收行业的盈利能力构成挑战，但同时也为电池市场的循环性提供了机遇。为了实现低成本化学电池的盈利性，需要通过延长电池寿命和/或直接回收来实现，这要求采用全面的循环设计方法。
欧洲可能无法在原材料加工、正极活性材料（CAM）合成或火法冶金回收方面与中国竞争，因此，长期投资于循环电池设计和扩大直接回收能力，是建立汽车和能源部门更强工业和地缘政治地位的机会。提高直接回收过程的技术准备水平和扩大直接回收能力，也增强了提供所需设备的次级工业部门的增长潜力。欧洲，尤其是德国的工厂工程行业，在工业回收技术方面拥有广泛的专业知识，欧盟应利用这些专业知识，推动以直接回收方法为重点的试点规模研究和回收设施的扩大。需要建立和实施针对LIB的循环设计标准，并激励汽车和电池行业的工业参与者密切合作，以平衡标准化的优缺点。通过实施循环设计战略，电动汽车电池行业可以成为从线性经济逐步过渡到循环经济的典范，这一转变需要政治、研究和社会整体的大力支持。
【文献信息】
Andreas Wolf, Felix Nagler, Philip Daubinger, Christoph Neef, Karl Mandel, Andreas Fleglera, Guinevere A. Giffin, Circular battery design: investing in sustainability and profitability, Energy Environ. Sci.
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