即使受到新冠肺炎疫情和芯片短缺的影响，基于锂离子电池（LIB）的电动汽车全球销量仍超过550万辆，占全球汽车销量的10%以上。预计LIBs的全球市场将以14.6%的复合年增长率增长，到2026年将达到近920亿美元的规模。因此，未来十年，由于天然供应有限、冶金产能低下以及俄乌战争，锂（Li）、钴（Co）和镍（Ni）的供应面临巨大压力。现在的重点是考虑现有制造商如何以更低的成本提高产量，以及如何在即将到来的繁荣中有效回收使用寿命终止的锂离子电池。可持续发展要求报废的锂离子电池不应处于其生命周期的末尾。回收对于提高锂离子电池的可持续性、缓解对原材料可用性和全球供应链危机的担忧，以及由此产生的价格波动至关重要。预计到2030年，全球锂离子电池回收市场将达到181亿美元，以8.2%的复合年增长率增长。在电动汽车的制造过程中，电池生产过程占二氧化碳排放总量的40%以上，尤其是正极材料的生产。使用废锂离子电池中的回收材料可以将材料生产中的总能源需求减少48%。最近，火法冶金、湿法冶金和直接再生工艺，加上拆卸、筛选、预处理、分离、纯化和燃烧，是目前和拟议但尚未证明的商业规模LIB回收工艺路线的主要部分。具体而言，火法冶金回收仅覆盖价值低得多的金属，并且由于高能耗、高运营成本和有害烟雾的增加而被认为是不利的。传统的湿法冶金回收通常需要添加不同的添加剂、碱和其他化学物质的复杂过程来获得高纯度的原料，同时会产生不同的废水，导致更恶劣的环境影响。与其他回收方法相比，直接正极再生在恢复性能、减少碳排放和缓解新材料短缺方面具有巨大价值。尽管直接正极回收仍处于实验室规模，但预期的生产线和设备可以使用正极制造商现有的生产线，因此可以轻松实现大规模工业化，回收效率高。近日，加拿大滑铁卢大学陈忠伟院士团队从商业制造的角度概述了废正极材料的直接再生方法，并将直接再生工艺与典型的正极生产工艺进行了比较，以突出技术挑战、现状、供应链、碳足迹，以及直接回收的可能解决方案。从而提出了重建破产的正极制造商进行正极再生的想法，以避免重复建设并降低成本。此外，还考虑了直接正极再生方法的环境、经济和政治影响，从中讨论了直接回收是否有利可图和可持续，是否可以形成从废锂离子电池到全新锂离子电池的闭环。
该成果以题目为“Enabling future closed-loop recycling of spent Lithium-ion batteries: direct cathode regeneration”的文章发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》。
【图1】锂离子电池回收的必要性。(a) 根据比亚迪全球锂离子电池数据库和锂离子电池有限的五年服务期，预计未来七年锂离子电池的报废容量; (b) LIBs不同成分的碳足迹和能源消耗比率。
【图2】不同正极的比较。正极材料具有不同的晶体结构和电池化学成分，在回收过程中应妥善处理。1月份最新的LIB回收价格来自当地回收商，具有巨大的利润潜力。
【图3】直接正极再生工艺的未来工业化回收路线。首先，锂离子电池的设计需要满足电池回收的需要。建议使用自动拆卸和材料筛选来降低回收成本并提供更纯的原料。以下工业设备与典型的正极生产工艺相似。
【图4】锂离子电池的老化机制。正极材料的性能退化主要是由过渡金属溶解、结构坍塌和锂离子损失引起的。
【图5】不同直接正极回收方法的流程图。目前，工业化的直接正极回收工艺主要有两种，包括再锂化到退火工艺和湿法冶金到补充到退火工艺。再锂化工艺可分为高温再锂化和水热再锂化。
现有研究表明，LIB回收是防止环境污染、维持未来供应链和促进循环经济的有力候选者。LIB技术正在经历一次飞跃式的发展，尤其是在正极材料方面。原则上，所有电池组件都可以回收，具有与活性材料相似的晶体形态的再生正极材料可以重新结合到一个新的正极电极中，温和加工条件下的直接正极回收方法是一种潜在的工艺，需要开发。此外，物理或化学分离产生的有机和金属杂质（如PVDF粘合剂和Al颗粒）的污染问题仍需解决。需要高度纯化的回收材料，可以通过使用机器人拆卸和优化电池结构来改进。直接正极回收方法也可能难以适应方法材料的变化，尤其是在正极配方在未来几十年快速更新的情况下。为了获得最大效率，不同的正极材料需要相应的特定再生工艺才能获得高质量的活性材料。设计一种方法在一条路线上再生各种正极材料而不分离是非常可取的。
随着政府对电动汽车的补贴和税收激励的大幅削减，电动汽车行业将以此为借口来提高性能、安全性，以及他们汽车的质量。近90%无法从容应对这一变化的锂离子电池制造商将在未来十年被市场淘汰，而企业转型为回收制造商是即将大量退役动力电池的突破，也是企业生存的机会。特别是对于正极制造商来说，类似的再生过程加上环境费补贴，将有助于生产线更加灵活，并降低运营成本。北美和欧洲电池制造商的供应几乎完全依赖于亚洲的正极材料交付，相邻的直接正极回收制造商可以进一步减少运输成本。此外，直接正极回收是可持续电池价值链的重要组成部分，可以创造循环和“闭环”，以抵消原材料短缺，最大限度地减少对环境的影响，并获得更高的利润。正如我们现在所看到的，随着技术的发展、原材料价格的上涨以及政府政策的引导，许多投资者都涌向电池回收。为了应对能源危机和气候变化，直接正极回收应该是废锂离子电池的命运，尽管在促进大规模工业化方面仍存在一些技术和经济困难。
Tingzhou Yang, Dan Luo, Aiping Yu, Zhongwei Chen. Enabling Future Closed-loop Recycling of Spent Lithium-ion Batteries: Direct Cathode Regeneration. Advanced Materials. (2023)
DOI：10.1002/adma.202203218
https://doi.org/10.1002/adma.202203218
