廢舊鋰離子電池（LIBs）的回收利用對于緩解原材料短缺和環境問題具有重要作用。然而，再生材料被視為次于商業材料，這妨礙了該行業在新電池中采用再生材料。
10月15日，美國伍斯特理工學院王巖教授等在《Joule》發文（王巖Joule：顛覆！再生正極材料優于市售同類產品），作者通過各種工業級試驗證明，回收的LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2具有優越的倍率和循環性能，甚至優于市售同類材料。這為回收材料在新電池中的重復使用提供了有力的支持，并在學術界和工業界之間搭建了一座橋梁。
然而，LIBs在工業層面的回收受到各種因素的阻礙，這些因素使得大規模回收在保持經濟可行性的同時變得困難。為應對這些挑戰，近日，美國伍斯特理工學院王巖教授、Luqman Azhari教授接著在《Chem》上發文，總結了LIBs現在回收存在的問題，并為未來的回收工作提供了指導。
作為減少溫室氣體排放和限制全球變暖影響持續目標的一部分，電動汽車（EVs）正被全球廣泛應用。迄今為止，已有20多個國家宣布了不遲于2050年實現電氣化目標或禁止傳統內燃機（ICE）汽車的計劃，并且120多個國家和歐盟也宣布了未來幾十年的凈零承諾。此外，汽車公司開始積極追求各自車型的電氣化：奔馳已經宣布，到2030年實現未來產品線的全部電氣化；奧迪已經宣布，到2033年完全放棄所有ICE的制造，到2026年只推出純電動汽車；福特、通用汽車和斯泰蘭蒂斯打算確保到2030年，其銷售額的40%-50%用于零排放汽車；到2030年，沃爾沃將用純電動汽車取代其整個系列。隨著電動汽車產量的迅猛增長，對電池相關原材料（如鎳、鈷、錳、鋰和石墨）的需求自然導致了采礦和生產的增加。然而，即使在目前的水平上，滿足全球供應鏈的預期需求也需要很長的準備時間。因此，預計未來原材料將嚴重短缺，尤其是鋰和鈷。
同時，由于LIBs的平均壽命對于消費類電子產品為1-3年，對于電動汽車或儲能系統為8-10年，因此到2023年，將產生約20萬噸廢舊消費LIBs和88萬噸儲能LIBs。如果廢舊LIBs得不到充分處理，大量的廢舊LIBs將產生重大的環境問題，特別是因為處理不當的廢舊LIBs可能會將有毒重金屬和氣體（如Co、Ni、Mn和HF）釋放到環境中。廢舊LIBs的大量積累以及不當處理也可能構成重大火災和爆炸危險。但是，已使用的LIBs也可以視為一種資源。廢舊LIBs的內部材料都是電池級的，因此可以重新引入新電池的生產中。因此，廢舊LIBs的回收利用可以為新電池制造的供應鏈提供二次材料來源。此外，使用回收的正極材料可以節省LIBs總成本的20%以上，通過從廢舊LIBs中回收正極材料以外的更多成分，可以實現更多潛在的節省。總之，LIBs回收可在緩解當前和未來供應鏈問題、防止可能的污染和環境危害以及產生可持續和持續的經濟效益方面發揮關鍵作用。這是實現可持續鋰電池發展以實現綠色社會的關鍵部分。
作者總結了LIBs回收的基礎研究和行業實踐的最新進展，包括火法冶金、濕法冶金和直接回收方法。在當前狀態下，現有的LIBs回收技術都不理想，因為仍有許多挑戰和限制需要解決。與此同時，商業LIBs的發展也在不斷演變。在實現更高能量密度、更長行駛里程和提高安全性的努力中，大量工作僅集中在開發新材料和改進電池設計上，這一直推動著鋰離子電池的快速發展。然而，電池設計和使用材料的快速發展使得回收更具挑戰性。
LIBs通常存在于三種主要類型的外殼中：圓柱形、方形和軟包電池。圓柱形電池有多種尺寸，最常見的兩種尺寸是18650和26650。方形電池是剛性和矩形的，也有不同的大小。最后，軟包電池的形狀和大小甚至有更多的不同，在業界通常沒有標準尺寸。這三種不同類型的LIBs外殼還用于形成不同的模組和電池包，這為拆卸和預處理方面帶來了特殊的挑戰。特別是，一些模組由環氧樹脂粘合的電池組成，這些電池特別難以移除或回收。此外，由于模塊和電池包的不同布局和內容（以提高特定電動汽車設計的空間利用效率），制造商熱衷于開發和采用新的電池配置。例如，特斯拉在其電池日活動中宣布了“tabless”電池設計。比亞迪的刀片式電池組的引入將電池包的空間利用率提高了50%以上，并將LiFePO4（LFP）正極帶回市場。寧德時代的Cell-to-Pack (CTP)技術將體積利用率提高了 20%，生產效率提高了50%。
盡管這些改進的電池、模組和電池包設計有助于普及電動汽車，但它們給那些對廢舊LIBs回收感興趣的人帶來了挑戰。直接回收過程將產生最大的困難，因為這些特殊且多變的電池設計使得必要的部件拆卸和分離更具挑戰性。另一方面，由于對預處理的要求較低，火法冶金工藝對電池設計演變帶來的挑戰可忽略不計。然而，由于該工藝只能在實用水平上回收正極材料和集流體，因此成本效益較低。濕法冶金工藝在兩者之間進行了折衷，它結合了火法冶金和直接回收工藝的優點。然而，拆卸和預處理技術需要進一步發展，以降低回收成本。同時，未來的電池設計應該考慮是否可以將后續的拆卸和分離作為一種促進回收的手段。
自1991年LiCoO2（LCO）首次商業化以來，用于LIBs正極的材料發展迅速。目前，層狀氧化物、尖晶石氧化物和聚陰離子氧化物是三種主要的正極材料。這些正極也可以由多種元素組成，如鎳、錳和鈷。特別是，LiNixMnyCo1-x-yO2（NMC）被認為是最有前景的正極材料，并且有一種趨勢，即增加鎳含量，同時減少鈷含量，以增加容量和降低材料成本。除了現有的各種化學物質外，制造商還可以在其電池中使用兩種或更多種正極材料的混合物，以獲得所需的性能。因此，回收過程必須考慮如何潛在地處理具有不同化學性質的混合正極材料，并將這些材料轉化為對當前電池有用的配方。
負極材料也在開發中，從石墨到硅基，目標是最終利用鋰金屬負極。石墨是目前LIBs中首選的負極材料，但由于其附加值較低，通常不會回收利用。然而，由于大量LIBs需要回收，研究人員應該開始考慮專門用于負極材料的回收技術。幸運的是，石墨和硅基負極材料相對惰性，這意味著它們可以在大多數回收過程中輕松提取。然而，恢復或再生原始結構和性能仍然是一個挑戰。目前，已經觀察到石墨的層狀結構在長時間循環后因鋰離子的嵌入而坍塌或被阻塞。此外，在鋰化/去鋰化過程中，硅負極會經歷嚴重的膨脹和收縮，從導致保護殼破裂，隨后單個硅顆粒粉碎。
與目前的LIBs相比，全固態電池（ASSBs）具有優越的熱穩定性和性能穩定性、更低的成本和更高的能量密度，因此有望在未來被采用。事實上，自2020年6月起，豐田已開始對其ASSBs電動汽車原型進行路試。大眾、福特和寶馬也在增加對ASSBs的投資。然而，ASSBs的回收幾乎不存在，不同類型的固態電解質（SSEs）化學和鋰金屬負極在回收過程中會帶來額外的挑戰。作者在以前的工作中詳細討論了ASSBs的回收，其主要挑戰是分離過程，其中必須包括將SSEs與其他電池組件分離，以及將不同類型的SSEs與潛在混合原料分離。同時，盡管鋰金屬作為負極提供了高能量密度，但由于其高反應性，將構成重大的安全隱患。因此，制造商需要在ASSBs設計和材料選擇中考慮回收利用。
擴大規模的另一個含義是在工業規模上，涉及到超過中試規模工廠的吞吐量增加。例如，到2030年，全球LIBs消耗量將達到每年約200萬公噸。然而，目前實際收集和回收的廢棄LIBs不到5%。任何顯著水平的LIBs回收都必須以遠遠超過中試工廠的規模進行，并且必要的資本和經濟可行性水平與生產的廢LIBs量相當。導致低回收率的主要挑戰是LIBs的多樣性、復雜性、缺乏監管和非標準化，這會導致分類、拆卸和預處理步驟出現障礙，從而降低回收過程的利潤，并使其在經濟上不可行。此外，還有一系列非技術性挑戰，例如大規模收集、運輸和儲存廢LIBs的物流。所有這些因素都會限制LIBs回收的擴大。
如今，商業回收過程依賴于從LIBs中回收有價值正極材料所獲得的利潤。然而，在新的正極材料化學中，正極中最有價值的元素Co被有意地減少，從而使傳統的LIBs回收在經濟上更具挑戰性。因此，優化或改變現有的回收技術以提高利潤并保持經濟可行性是必要和緊迫的，這將帶來大量的研究機會來檢驗成本降低并豐富商業模式，如更好的拆解技術、分類和分離方法、通用的回收流程、電池回收和標準化設計。
說服大型電池制造商接受回收材料進入生產線也是一項相當具有挑戰性的工作。首先必須確保回收材料的性能能夠與原始材料的性能相匹配或超過。大多數實驗室規模的測試來自低電極負載（小于0.62 mAh/cm2）和低活性材料成分（80 wt%）的扣式電池或單層軟包電池，這兩種電池都遠遠落后于典型的工業要求（3mAh/cm2的電極負載和多層軟包電池中95 wt%的活性材料成分）。因此，典型的實驗室測試遠不能說服工業制造商采用回收材料。因此，除了扣式電池和單層軟包電池外，還需要在形狀因素上進行可靠的測試。此外，必須在行業級配方和形狀因素方面與最先進的原始材料進行并行比較，以提供具有競爭力的基準，并緩解對利用再生材料的擔憂。因此，鼓勵與行業合作，幫助大學或實驗室了解并滿足行業要求。
隨著需求的快速增長和LIBs的廣泛采用，每年都會產生大量的廢舊LIBs，這對供應鏈和環境造成了嚴重的擔憂。LIBs回收對于維持未來供應鏈和防止重大環境污染至關重要。此外，LIBs技術非常活躍，特別是對于正極材料，例如，廢舊LIBs中的正極材料在達到使用壽命結束時可能被視為已過時，即使它們可以恢復到其原始性能水平，也可能不再需要，甚至不再接受進一步使用。因此，在計劃回收LIBs時，了解LIBs的發展趨勢是非常必要的，因為它可以指導優化再生材料和回收工藝的研究。此外，學術界和工業界之間的合作是必要的，也是值得鼓勵的。這種合作將有助于學術界了解回收技術和材料測試標準的實際需求。有了更好的基礎，行業合作伙伴可以將學術理念轉化為實際的過程和產品。作者相信，隨著學術界和工業界的密切研究和開發，目前和未來所有類型的LIBs都將實現可持續的回收過程。
Li-ion battery recycling challenges. Chem 2021. DOI: 10.1016/j.chempr.2021.09.013
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