锂离子电池回收的日益严峻的挑战应在设计阶段解决。迄今为止,制造商已将更多的精力放在安全性,功率密度和可循环性上。

来自莱斯特、纽卡斯尔和伯明翰大学的锂离子电池回收研究人员、法拉第机构、ReCell中心和Argonne国家实验室对产品设计进行了检验,并在《锂离子电池回收设计的重要性》一文中发表了他们的发现,这是一篇发表在《绿色化学》上的评论。

要使任何材料都具有循环经济性,重要的是,要减少组件数量,与初级过程(原料提取)相比,次级过程(回收)的成本要低,简单的纯化流程,有价值的组件以及收集和回收隔离机制。如果材料不被回收利用,当材料对环境产生重大影响时,这也将有所帮助,因为这往往要求其进行回收。

铅酸电池满足了这些设计要求,这解释了日本,美国和欧洲大部分地区的回收率接近100%,回收利用机制可回收电池总质量的98%以上。铅酸电池的

锂离子电池中阴极和集电器的相似密度值使类似方法无法实现。因此,锂离子设备需要诸如氧化还原反应,溶解度之类的方法,或者利用静电和磁性能来分离组成电池的材料。

缺乏标签是有效回收制度的另一个重大障碍。与铅酸电池不同,锂器件具有多种化学和结构,例如NCA,NMC,LMO,LCO和LFP电池,所有这些都可以结合到不同的化学中。电池也可以以袋状,棱柱形或圆柱状的形式出现,然后再焊接到模块中并组合成组。

英美研究小组表示,电池标签没有全球标准,需要向回收商清楚地表明设备的成分。结果,湿法冶金–涉及粉碎和酸处理;酸法之前的高能耗冶炼和火法冶金已成为锂离子电池回收中的常识。湿法冶金需要预处理,排放和正确拆卸,而不是“粉碎”。

电池组中电池和模块的排列方式有所不同(有时在单个EV制造商车队中),这给回收商带来了另一个障碍。锂离子设备的组织结构以最大化的安全性和电池寿命为代价,但以可回收性为代价。

电池数量越高,活性和有价值的材料在电池重量中所占的比例就越低。增加的细胞数也使打开和分离步骤复杂化,这增加了回收成本。具有85 kWh电池组的Tesla Model S电动汽车(EV)包含16个模块,每个模块包含444个电池单元,每辆汽车中有7104个圆柱电池单元。

《绿色化学》论文的作者写道:“当拆除速度缓慢且成本高昂时,唯一的回收方法将成为火法冶金,这既昂贵又效率低下。因此,回收处于'捕获22'情况,电池和电池组设计控制着回收策略。”

手动拆卸包装和模块以提取单个细胞是回收纯净材料的首选方法,但比粉碎要花费更长的时间。电池和电池组设计的无数组合加剧了这种延迟,这使得自动拆卸几乎无法实现。

研究人员表示电池还可能具有坚固的母线,而不是目前连接模块的柔性电缆。这样的结构可以看到单元直接连接到母线,而无需模块,并且机器人可以更容易地将单元从母线分离。通过添加断点或其他打开机制,可以更轻松地访问和分离单元组件。

研究人员表示不切碎地分离电极材料可以将回收成本降低到比采购原始材料便宜多达70%。英美集团表示,全面的标签,简化的整体结构,易于打开的设计以及可逆的胶粘剂和粘合剂将解决大部分锂离子电池回收问题。

学者们还提出了如何制定此类法规的建议,暗示制造商的责任范围扩大以及回收报废产品的义务将促使工程师采用“回收设计”方法。

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