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电池回收:另一挑战的开始?

2023-02-03 14:01:42 Bill Schweber 阅读:
回收、恢复原状和再利用电池及其先进的配方,比起在纸张等更简单的产品上进行同样的事情,当然是更困难得多了,甚至是非常复杂的..

众所周知,人们相当关注于改良的新型电池化学物质和结构。毕竟,即使是在体积或重量方面对于电池性能进行一小部分的改善,也会对于能量储存和按需求供电的电池整体状况造成重大影响。尽管如此,研究人员仍在寻求重大突破,虽然持续会有一些声称小型到中型规模的突破,但从改良电池的实验室版本到即使是适度的试运行,都迥异于具有数百万单位的真正大规模生产及其引发的长期性能问题。4fwednc

在电池方程式的另一面也非常重要:即如何妥善回收放电的一次性电池(不可充电)和耗尽的二次(可充电)电池。当然,二者都是矿物和其他材料的主要消费者,但由于各种类型的电动汽车(EV)和储能系统(ESS)的发展,可充电锂离子电池最受瞩目。事实上,电池回收并非仅单一的循环途径(图1)。4fwednc

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图1:从电池材料的采购到电池的初始使用,再到回收和再利用,有着许多不同的途径。(数据来源:Argonne National Laboratory)4fwednc

现在有多少一次电池和二次电池被回收利用?如同这一类的许多问题一样,答案取决于问题的背景和资料的来源。例如:4fwednc

  • 通过电池的数量、重量还是能量的容量来衡量?
  • 是否包括通常会被扔进垃圾桶(即使不应该将其扔进垃圾桶)的小型钮扣电池、笔记本电脑和智能手机用的中型电池组,以及EV和ESS中的大型电池组件?
  • 是否使用国家、地区或全球编码?
  • 送去回收的电池数量或重量与实际回收和重复使用的材料数量之间有何关系?
  • 电池化学物质之间的数字如何变化?
  • 最后,一直存在的统计资料可信度问题:通常随这些数字而来的表面精度是否也具有相应的准确度?

根据对这些问题的研究显示,数字无处不在。其中似乎具有某种一致性和可信度的是,在欧盟,至少95%的传统且仍广泛使用的铅酸电池被回收了,而只有约5%的锂电池(“其他”)被回收利用(图2);这一数字在美国的情况大致相同。(此处介绍的研究来自不需要每年订阅即可访问的来源。)4fwednc

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图2:欧盟各国对铅酸(上)、镍镉(中)和“其他”化学物质(下)的回收电池材料使用估计:请注意,这些数字高于铅酸电池以外的其他估计值,而“其他”类别包括锂电池,估计仅占5%左右。4fwednc

(数据来源:Eurostat)4fwednc

为什么回收与电池类型不同?有几个原因。4fwednc

首先,技术上来看,回收电池中的铅比在我们所谓的“锂”电池中对钴、锰、磷酸盐和锂等矿物质进行复杂的混合要简单得多。4fwednc

此外,铅酸电池的物理外形因素相对较少。4fwednc

最后,这些电池有完善的回收链,通常可以在汽车经销商、汽车用品店或废品场进行回收。4fwednc

尽管如此,回收电池和回收/再利用组成材料的潜在好处吸引了很多人的兴趣,它可转化为金钱,投资改良的基础技术,以及建设设施来实现这一目的。《华尔街日报》最近报导了针对回收研究和大型工厂的投资浪潮(政府拨款以及一些私人投资)。其中一些工厂是独立运营的,然后将回收材料转售给任何可能的人,而其他工厂则正式或非正式地与电池制造商或汽车制造商结盟。4fwednc

他们都面临的问题是现代技术的结果,而不仅仅是电池。4fwednc

使我们的许多成就成为可能的是,经由材料科学,我们学会了如何修改、组合、混合和调整基本物质(石头、木材、矿物、元素、石油、天然气和矿石),以创造具有合适特性的材料,来提供跨多种属性所需的性能。(想想“简单”连接器的玻璃环氧树脂主体、金属合金触点和各种类型的薄表面电镀层。)因此,产品或组件中没有基本且易于定义的材料,而是所有经过改良后加以结合的复杂组合。4fwednc

分解这些材料以将其恢复到原始而能重复使用的成分是很困难的,有时甚至是不可能的。这不仅仅是拧松、拆胶或拆钉子等有形组件的问题而已,而是需要大量的能源、化学品和物理空间等,而且通常还会产生令人讨厌的残留物。用通俗的话说,除非你运用大量的技术和精力,否则很难使其恢复原状。4fwednc

或许这是熵原理的另一种表现,具有普遍无序的趋势,因此试图重建秩序即使并非不可能的任务也是极其艰巨的。试想气体释放到腔室时的随机混合情况。4fwednc

实用且有效的电池回收及其后续的材料回收是否需要突破?例如,美国阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory,ANL)声称在锂电池方面取得了“突破”,但这在当前的早期阶段是一项重大的声明。或者,仅仅是缓慢而稳定的进展就能让我们到达目的?相较于回收和再利用现有的产品,只有在开采和提炼新矿物和材料的稀缺性以及成本变成更加沉重的负担时,它才会被迫变得可行吗?整个回收链在确保稳定供应或纯材料方面究竟扮演什么角色?4fwednc

尽管有着金钱报酬和良好意图,只是希望它能如此也不一定会实现。回收、恢复原状和再利用这些先进的配方,比起在纸张等更简单的产品上进行同样的事情,当然是更困难得多了,甚至是非常复杂的。敬请期待,前方将会是一段有趣的旅程。4fwednc

(原文刊登于EDN姊妹网站EE Times,参考原文:Tackling Battery Recycling, the Other Big Challenge,由Susan Hong编译。)4fwednc

责编:Ricardo
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