新能源汽车电池回收利用加速 推动电动汽车电池闭环回收

Redwood Materials不久将在其内华达州里诺市附近的一家新工厂内用回收材料生产电池阳极铜箔。松下将成为其首家客户。（Redwood Materials）

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电池材料的回收对汽车未来的电气化转型至关重要，但是回收产业的发展面临着许多障碍。随着汽车制造商和供应商向电气化转型，发展迅猛的电动汽车电池回收产业已经从可盈利的附属产业转变为必要产业。专家表示，当前的全球采矿产能根本无法满足急剧增长的全球电池生产对原材料的需求。此外，这些原材料的开采还引发了许多潜在问题，例如，矿工的工作条件、场地污染、复杂的地缘政治问题以及矿产所有权集中化等。令人欣慰的是，美国政府最近颁布的《通胀削减法案》提供了一系列措施，鼓励汽车制造商在其电池中使用回收材料。许多电池回收初创公司（包括特斯拉前首席技术官创立的公司）正在积极面对挑战，并与汽车制造商开展合作。同时，汽车制造商也在关注成熟的回收技术——例如，湿法冶金（通常指浸出法，即将电池浸泡在酸性溶液中浸出金属）和火法冶金（包括焙烧和熔炼），从废旧锂离子电动汽车电池中有效回收较高比例的关键金属。但是，目前存在一个矛盾：许多电池公司正努力降低某些存在争议且难以采购的金属在其电池中的含量，而这可能也会降低电池资源化回收的经济可行性。Redwood Materials认为自己更多的是阳极和阴极材料的提供者，而不是材料回收商。该公司与福特、丰田、沃尔沃、Proterra和松下有合作伙伴关系和协议。（Redwood Materials）另一种方法，即直接回收或修复电池，也获得了联邦研究基金的资助，其优点是可以保留完整的阴极材料。美国阿贡国家实验室应用材料部材料回收组组长兼ReCell中心研发计划负责人Jeffrey Spangenbery表示，湿法冶金过程会破坏电池阴极。他解释道：“如果我们能完整地保留阴极，就可以直接将其用于新电池中，从而节省大量资金。但是，直接回收也面临许多问题。例如，电动汽车的寿命可能为20年，在此期间技术不会停滞不前。我们必须思考如何为旧阴极创造市场价值。”电动汽车电池“生命周期”。（ANL）

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存在争议的资源镍的短缺是一个迫在眉睫的关键问题，但是这一点经常被忽视，因为人们最关注的是锂，其次是钴。Guidehouse Insights首席电动汽车分析师Sam Abuelsamid表示，每生产100kWh的电动汽车电池组容量，就需要61-66kg镍。如果电动汽车的普及率达到100%（预计到本世纪40年代之前都不太可能），而且我们只依赖富镍电池，那么每年将大约需要580万吨镍。但是，Statista的数据表明，2021年全球镍矿总产量仅为270万吨。为满足需求，镍产业必须其全球产量增加一倍以上——除非电池回收成为可行方案。Abuelsamid说：“进行电池回收绝对是有必要的，我们不应该把含有这些关键金属的废旧电池直接填埋，而必须尽可能多地回收电池，因为我们未来对电动汽车电池的需求量将远高于目前使用原材料生产的电池产量。”此外，俄乌冲突也加剧了镍供应的复杂性。俄罗斯是全球第三大镍供应国，在2022年第一季度，由于市场担心供应中断，镍价格直接翻了一番，飙升至每吨10万美元。而镍只是组成锂离子电池的争议金属之一。锂离子电池是当前最先进的电池，至少在固态电池（不含液态电解质）生产出来以前如此。《金融时报》前大宗商品和矿业记者Henry Sanderson目前任职于基准矿业情报（Benchmark Mineral Intelligence），他也是《电池金属淘金热》（Volt Rush）一书的作者，这本新书专门探讨锂离子电池中有争议的材料。Sanderson向SAE表示，“我们必须仔细审视电动汽车转型背后隐蔽且不透明的供应链，目前中国控制了大多数的供应链。这一点不仅是安装一些太阳能电池板的问题，而是涉及到原材料和采矿。”大部分的锂产自智利、阿根廷和玻利维亚，主要通过蒸发干旱盆地中的卤水来提取。自然资源保护协会（Natural Resources Defense Council）表示，“在当地和土著居民面临水资源枯竭的情况下，这一做法加剧了国际重要湿地和保护区的生态破坏。许多当地人对采矿作业没有发言权，也几乎无法从中获益。出于经济和环境原因，主要的锂矿生产国智利一直在讨论将其锂矿国有化。全球超过70%的钴产自刚果民主共和国，该国存在严重的童工问题（根据某些消息来源，钴矿童工比例高达40%）、持续的人权侵犯问题、恶劣的工作条件和极低的安全保障。日本环球先进科技公司（GlobalEDGE）报道，与锂一样，精炼钴的主要产地也是中国。通过大规模的“一带一路”全球发展倡议，中国公司已经拥有或资助了锂矿和钴矿的大部分股份，其中包括刚果 80%的钴。中国龙头公司在国际上进行强烈抗议后，刚果的采矿工作条件得到了些许改善。现在，部分精炼钴的生产在刚果当地完成，这给当地人带来了经济效益。钴的争议依然很大。拥有15年钨矿（钨是另一种电池金属，50%的钨供应来自电池回收）开采经验的Almonty Partners总经理Lewis Black表示，“锂离子电池中的钴终将被淘汰。”在意识到以上问题后，电池行业已经逐步降低了电池中的钴含量，但目前为止，钴依然是一种必不可少的电池金属。镍也存在争议，其开采通常会造成环境破坏。例如，据估计，巴布亚新几内亚的大型Ramu镍矿每年向巴萨穆克湾倾倒68万吨采矿废料，导致当地联盟提起诉讼，索赔52亿美元。更具可持续性的锂矿开采方法仍在研发中（包括美国国内采矿），但是从废旧汽车电池中回收金属是一种已经得到验证的方法。美国能源部（DoE）表示，1吨电池级锂原料可以从250吨矿石和750吨卤水生产，也可以由28吨废旧锂离子电池生产。唯一的问题在于锂离子电池回收率过低，到2019年仍不足5%，不过，电池回收行业正在快速发展。

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大幅增产位于加拿大的Li-Cycle首席战略官Kunal Phalpher表示，该公司致力于“从废旧锂离子电池中回收关键材料，并将其重新投入供应链。Li-Cylce通过拆解电池组得到塑料、铜和铝，并出售给回收商。此外，该公司还利用湿法冶金技术，生产包含钴、锂和镍在内的所谓“黑色物质”，具有高纯度，可以重新投入供应链，并有助于建立国内资源供应。Li-Cycle于2021年在纽约证券交易所通过SPAC交易上市，该公司估计，到2030年，大约将有1500万吨锂离子电池退役，远高于2020年的170万吨。该公司创建了一个“中心辐射型”（hub and spoke）组织结构：其“辐射”工厂通过处理废旧电池来生产黑色物质，而中心工厂通过分离黑色物质中的电池金属并进行加工，以将其重新投入供应链。去年4月，LG化学和LG新能源将Li-Cycle认定为其北美首选电池回收合作伙伴，并向中心工厂提供“黑色物质”。不久后，瑞士公司嘉能可（Glencore）也表示将向Li-Cycle提供生产废料和废旧锂离子电池，并将与LG化学一样，从Li-Cycle那里“承购”黑色物质和其他材料。 在俄亥俄州的GM-LG Energy Solution Ultima 电池工厂，新的电池单元正在完成电池制造过程的最后阶段。（GM）此外，Li-Cycle还与通用汽车合作，并将于2023年在通用汽车位于俄亥俄州的Ultium电池工厂附近建立一个回收中心。去年5月，Li-Cycle在亚利桑那州建立了它的第3家“辐射”工厂，该工厂每年可以处理多达1000吨的电池生产废料和废旧锂离子电池。Li-Cycle将把其位于纽约州罗切斯特市的中心工厂业务扩大40%以上，从而将其年处理容量从25000吨提升至35000吨，这相当于需要9000吨电动汽车电池。Phalpher表示，“我们认为公司每年可以处理18万辆废旧电动汽车的电池，其秘诀就在于我们建立了一个围绕黑色物质优化的系统和流程。我们生产的黑色物质是一种含有40%石墨的潮湿黑色粉末。保持潮湿可以防止镍和钴粉末在空气中飞扬。”通用汽车电气化战略和电池工程主管Tim Grewe表示，公司正在寻求各种途径，以避免填埋处理废旧电池，并以低于开采成本的价格供应电池金属，其中包括与Li-Cycle的俄亥俄州工厂合作。他表示，“目前市场上有资源化回收、重复利用和翻新三条发展路线，但不知道市场最后会选择哪条。”通用汽车电动汽车电池可持续生态系统主管Melissa Flaherty表示，其目标是“最大限度地提升电池组中可回收材料的回收率。”自2013年以来，通用汽车已经回收或重复利用了所有从客户那里获得的电池组，其中包括通过保修更换的电池组。

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电池终生解决方案特斯拉前首席技术官JB Straubel创立的Redwood Materials曾在2021年表示，已经从各种投资者和风险投资公司那里获得了7.75亿美元的融资。Redwood现拥有大约500名员工（并打算再雇佣500名），其目标不仅是从废旧电池中提取电池金属，而且还要将这些金属材料加工成新的阴极和阳极铜箔。目前，这些重要部件主要在亚洲制造。Redwood表示，公司可以从废旧锂离子电池中回收95%的镍、钴、锂和铜等金属，然后再将其加工成新的电池材料，以供客户使用。Redwood Materials称，在变成电动汽车电池组之前，金属原材料需要从矿场飞跃平均5万英里。到2025年，回收金属将占该公司阴极材料的30%。（Redwood Materials）现在，该公司每年可以处理6GWh锂离子电池，而且正在迅速扩张产能。Redwood表示，公司计划到2025年将活性阴极材料和阳极铜箔的年产量提高至100GWh，以供100万辆电动汽车使用。到2030年，公司希望将这些材料的年产量提升至500GWh，以供500万辆电动汽车使用。Redwood在内华达州有一个175英亩的园区，靠近加州的大型电动汽车市场。阳极铜箔将于2022年底在内华达州开始生产，松下的超级工厂将是其第一家客户。Redwood在2022年宣布与福特合作，还与沃尔沃、Proterra和松下签署了协议。此外，为丰田旗下的普锐斯等汽车的混合动力电池提供产品终生解决方案。美国大众集团也在2022年表示正在与Redwood合作，回收包括大众、保时捷和奥迪汽车的电池。大众集团服务和技术总监Steven Rufo表示，Redwood已经开始回收电池和模块，回收将对其大众经销商网络免费开放。“目前交易量仍然很低。我们的计划是在扩大规模之前与Redwood签约，这样我们就可以了解什么行得通，什么行不通。目前基本上是在保修期内更换有缺陷的模块，完全更换电池的情况比较少。”Rufo说，大众正在寻找更高效、更便宜的运输方案，因为电池模块被归类为第9类危险废物，未经特殊处理不能移动。“也许我们需要在零部件仓库回收材料，直到它符合批量运输的安全标准。”Redwood的沟通与政府关系副总裁Alexis Georgeson表示，该公司的主营业务不是回收材料。“我们的核心业务是生产阳极和阴极材料，我们不销售黑色物质，而是将其用作原料供我们自己使用。”Georgeson强调，公司需要一个不涉及向亚洲出口的国内闭环生产过程。“除非我们把材料留在国内，并开始在这里生产阴极，否则我们无法解决全部问题。金属从矿场出发直到被用于电动汽车电池的生产，平均需要5万英里的运输距离。”到2025年，回收金属将占公司阴极材料的30%，钴将是100%来自于回收。Georgeson说，特斯拉超级工厂的废料也将是一个重要的原料。“即使工厂的效率达到95%，仍然会产生大量的废料。”早在2015年，位于马萨诸塞州威斯特伯勒市专注于回收技术的企业Ascend Elements从美国伍斯特理工学院分离出来，专门利用回收电池生产新的阴极活性材料。公司市场与政府关系副总裁Roger Lin表示：“阴极是电池中最昂贵的组件。而阴极现在只在亚洲生产，美国的产能寥寥无几。”Ascend称其“hydro-to-cathode”工艺可以回收锂离子电池中98%的材料。该公司在马萨诸塞州和密歇根州开展了试点项目，并正在亚特兰大附近建设一座15.4万平方英尺的商业规模工厂，将于2022年底开始运行，使用的材料来自SK Battery America位于佐治亚州Commerce的工厂。2021年，Ascend还与本田建立了合作伙伴关系，达成了一项回收本田和讴歌汽车材料的协议。Ascend Elements的Roger Lin断言，OEM正意识到批量生产电动汽车的同时，也要考虑到整个生命周期使用情况。（Ascend Elements）“现在这个领域很活跃，” Lin表示。“汽车制造商正在意识到，如果他们想要大量生产电动汽车，就必须考虑到其使用寿命。这也是相关合作大量涌现的原因。”一个关键问题是：如果未来的电动汽车电池中钴、镍和其他金属的含量远低于现在，回收利用还有经济效益吗？通用汽车的Grewe说凯迪拉克新款Lyriq电动汽车电池的钴含量比雪佛兰Bolt少70%。Lin认为，即使这些金属的数量减少，资源化回收仍然是可行的，一方面是因为老款电池仍然含有大量金属，另一方面是因为锂本身不太可能在短时间内从电池中消失，而其价格和价值现已飙升至极高的水平。Sanderson表示同意：“根据现在的锂价格（今年在中国上涨了400%），资源化回收在经济上依然是可行的。”Redwood的Georgeson解释说，因为回收不是公司的主要业务，因此某些金属的减少不会对其产生重大影响。“我们回收的所有东西都是我们生产阴极和阳极所需的战略性金属来源。”Lin表示，制造商可能能够在短期内减少，但无法消除电池中的问题元素。目前存在不使用任何钴或镍的电池材料体系，如磷酸锂离子（磷酸锂铁，LFP）电池，但后者的能量密度太低。固态电池是另一项正在开发的技术，它不需要镍和钴，也不需要液体电解质。有些人对锂离子电池的回收确实持怀疑态度。Almonty的Black认为，包括印制电路板在内的一些部件不能回收，而且处理钴对该行业而言是一个颇具争议的问题。

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重新利用旧电池用过的电动汽车电池组并不一定需要被还原为组成它们的金属，它们也可以被重新利用。目前有两种颇具潜力的用途，一是用作间歇性可再生能源发电的固态电池，二是用作电动汽车充电站点的储能电池，以缓解电力公司的用电需求高峰。重新利用的电池组可以从发生过事故的电动汽车或已达到使用寿命的电动汽车中获取。麦肯锡称，到2030年，固定设施用途的再利用电池的供应量可能超过200千兆瓦时，届时成本将比目前低30-70%，成为市场主力。麦肯锡的报告称，即使当这些电池不能再为汽车高效地提供动力，它们的剩余容量仍有初始容量的80%。忧思科学家联盟（UCS）估计，二手电动汽车电池可以在二次应用中继续服务5-8年。据《橘郡纪事报（Orange County Register）》报道，加州拥有全球42%的电动汽车。2018年颁布的一项法案呼吁制定法规，确保“该州接近100%的锂离子电池在使用寿命结束时得到重新利用或回收”。但要实现这个令人钦佩的目标并不容易。Electrify America（大众汽车柴油门事件和解协议组建的充电公司）能源服务主管Jigar Shah表示，公司目前在美国的充电站拥有150个用户侧锂离子储备电池，主要是为了缓解电网充电需求。但不幸的是，Shah表示回收的电池组“目前达不到我们需要的性能特征。”UCS表示，让旧电池达到可以重新利用的状态不仅仅是让它们接上电源那么简单。该公司的报告称：“要将旧电池用作固定储能电池，必须经历几个过程（包括测试、完全放电和重新配置），目前这些过程既昂贵又耗时。”另一个问题是，一个完善的再利用行业需要充足的报废电池供应。通用汽车的Grewe说：“目前大部分电池仍在车上工作。我们的第一代Volt基本已经行驶了10万英里以上，但电池依然很强劲。目前可供应的二手电池数量并不多。”大众汽车的Steven Rufo说，在回收方案可行之前就提出电池重复利用是绝对不会得到重视的。“将材料重新投入阴极生产可能更好。但还有很多不确定性，我们还处于这个过程的早期阶段。”大众汽车的Steven Lupo表示，电池材料需要更高效、更便宜的收集解决方案。（大众）电动汽车电池的重新利用和资源化回收确实还处于萌芽阶段，但在研究和大量投资的支持下，该行业正呈现增长势头。

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提振美国国内供应在美国国内，电动汽车电池金属的供应正在加快。目前，有三家公司正在加州的索尔顿海（Salton Sea）开发锂，作为当地现有地热开发的副产品。业内一度将锂作为废料抛弃，但随着这种金属的国际价格飙升，以及汽车制造商希望规避采购争议，该资源正在加大开发。由于大多数电动汽车电池使用的锂来自南美洲干旱地区的蒸发工艺，因此加州的锂供应可能要环保得多。这三家公司分别是Controlled Thermal Resources（CTR，由通用汽车投资并与斯特兰蒂斯签署了购买协议）、Berkshire Hathaway Energy Renewables和EnergySource Minerals。目前没有一家公司的锂产量达到了商业规模，但EnergySource和CTR计划最早在2024年开始运行并交付氢氧化锂。EnergySource的工厂位于一个现有的地热开采点，并已通过生产锂的审批。CTR目前正在建设一座全新的49MW基载地热电厂，该工厂每年还能生产2.5万吨锂；第二阶段的目标是在2025年底之前增加130MW的发电容量和5万吨锂年产能。而BHE可再生能源公司计划于2026年开始运行。CTR的首席执行官Rod Colwell表示：“我们正与汽车行业开展紧密合作，将我们的业务部署在整个电池供应链上。”CTR在加利福尼亚州和澳大利亚均设有办事处。“宣布建设一座新的超级工厂是一回事，但确保原材料和开发整个电池生态系统以支持工厂的运作也非常重要。”EnergySource公司总裁兼首席执行官Eric Spomer表示，该公司的工艺“几乎适用于任何地方的任何卤水”，并且能够回收高达90%的可用锂，而南美的蒸发工艺只能回收45%。公司有四个试点工厂，三个在美国，一个在阿根廷。Spomer说：“虽然尚未公布，但我们已经找到了合作伙伴。锂是一种并不罕见的元素，但难点在于实现生产工艺脱碳并降低环境影响的同时，如何仍保持优于其他提取方法的经济竞争力。我们认为这是一个重要且颇具吸引力的项目。”根据美国地质调查局（USGS）的数据，美国不在十大钴生产国之列，但加拿大排名第五（加拿大2021年生产了4300吨钴，刚果生产12万吨）。据估计，欧洲在12个国家有151处钴矿，总储量为130万吨，但实际开采的数量并不多。中国既是全球领先的精炼钴生产国，也是全球最大的消费国（用于电池生产）。这并不是说美国没有钴——据美国地质调查局的一份报告估计，美国的钴储量为100万吨（全球探明的储量为2500万吨），大部分在明尼苏达州。但美国2019年的产量只有500吨。除刚果和摩洛哥外，大多数钴都是铜或镍生产的副产品。密歇根的鹰矿（Eagle Mine）也是如此。鹰矿在生产铜或镍的同时，将少量的钴与钯、银和金一起提取出来。该矿场属于加拿大的Lundin公司，但它是美国唯一的镍主要生产商。不幸的是，该矿场的资源非常有限，除非发现更多供应，否则它将在2026年关闭，更不用说增产了。美国总统拜登4月下令，国防部应将电动汽车中使用的五种金属（钴、锂、石墨、镍和锰）视为对国家安全至关重要的金属，这会激励采矿的发展。该指令将允许将联邦资金用于相关的研究项目，其中包括确定一座拟议的矿山是否具有经济可行性，或者一座生产一种重要矿物的矿山是否也可以生产另一种重要矿物。2022年初，拜登政府拨出31亿美元支持电池和关键金属锂、钴和镍的国内生产。更重要的是，拜登在8月签署的《通货膨胀削减法案》强烈鼓励汽车制造商在生产汽车的同时，从北美采购电池和稀土金属（无论是来自开采还是回收），符合条件的制造商可获得7500美元的联邦税收抵免。到2024年，40%的矿产必须在美国（或与其签署自由贸易协议的国家）进行开采或加工。2026年以后，这个要求将达到80%。这项新法律有力地刺激了国内稀土金属的生产，多家公司纷纷公布相关计划。Piedmont Lithium表示计划在北卡罗来纳州和田纳西州建立锂工厂。光是田纳西工厂的年产量目标就是目前美国氢氧化锂总产量的两倍。公司首席执行官Keith Phillips说：“我们想成为北美最大的锂生产商。”他表示联邦税收抵免是一个很大的推动因素，“7500美元是一大笔钱”。在内华达州运营着北美目前唯一锂矿的Albemarle也表示，拜登法案的条款将鼓励公司开发新的国内锂矿和精炼产能。加拿大的Snow Lake Lithium公司已提议在曼尼托巴省（Manitoba）南部建厂，并称该工厂将在10年内生产足够的锂（16万吨）为500万辆电动汽车提供动力。Talon Metals曾提议在明尼苏达州的塔马拉克（Amarack）建设一座据称可持续运营的镍矿，但遭到了一些环保组织的抵制。有460多家成员公司参与的“负责任矿产倡议”（RMI）也在推动对争议资源的摒弃。作为成员公司，宝马已签署了一项从摩洛哥和澳大利亚购买钴的长期协议，以避免在刚果采购。其他参与倡议的汽车制造商还包括戴姆勒、福特、通用、本田北美、斯特兰蒂斯、特斯拉、沃尔沃和大众。RMI还致力于改善刚果南部两个省份的小型钴矿的工作条件。