电池回收的下一个前沿 石墨

随着越来越多的美国人拥抱电动汽车，汽车制造商和联邦政府正在竞相获取制造电动汽车电池所需的材料，包括投入数十亿美元用于电池回收。如今，回收商专注于从废锂离子电池中回收镍和钴等有价值的金属。一些人现在正在仔细研究另一种电池矿物，当今的回收过程将其视为废物。

随着美国电池回收商建造大型新设施来回收昂贵的电池金属，一些回收商也在试图找出如何回收电池级石墨的方法。由于技术和经济障碍，目前世界上任何地方都没有大规模这样做。这些公司得到了美国能源部的援助，该部目前正在向石墨回收计划投入数千万美元，旨在回答基础研究问题并启动示范工厂。

美国能源部国家可再生能源实验室电化学储能小组负责人马特·凯泽(Matt Keyser)称，如果阻碍商业石墨回收的挑战能够得到克服，“使用过的石墨流可能会很大”。除了增加国内供应之外，回收石墨还可以防止关键电池资源的浪费，并可以减少与电池生产相关的碳排放。

要理解为什么石墨难以回收，需要了解一些材料科学。石墨是碳的一种矿物形式，具有金属和非金属特性，包括高导电性和导热性以及化学惰性。这些特性使其可用于各种能源和工业应用，包括在锂离子电池内存储能量。当锂离子电池充电时，锂离子从金属阴极流入石墨阳极，将自身嵌入碳原子的结晶层之间。这些离子在电池使用时释放，产生电流。

石墨在自然界中以结晶片或块的形式存在，开采后经过加工生产阳极制造所需的小球形颗粒。石墨也是通过将煤炭或石油生产的副产品加热到高于2,500摄氏度(约4,500华氏度)的温度来合成生产的，这是一个能源密集型(通常也是排放密集型)过程，会引发碳原子的“石墨化”。

石墨的开采或制造相对便宜，其价值低于电池阴极内的许多金属，其中包括锂、镍、钴和锰。正因为如此，电池回收商传统上对此并没有太大兴趣。相反，许多电池回收商来自金属精炼行业，他们专注于他们已经知道如何做的事情：提取和纯化这些阴极金属，通常是其元素形式。按重量计算，石墨占电动汽车电池的30%，视为副产品，回收商要么将其燃烧以获取能源，要么将其分离出来进行填埋。

美国电池技术公司首席执行官Ryan Melsert表示：“直到最近，人们在谈论电池回收时，真正关注的是那些象征性的[金属]元素，因为它们价值很高……而且回收过程可能与传统的金属加工有很多重叠。”

为了使石墨回收有价值，回收商需要获得高性能的电池级产品。为此，他们需要将石墨与其他物质分离，去除金属和胶水等污染物，并恢复材料原始的几何结构，这通常是通过施加高温来完成的。

火法冶金(一种在熔炉中熔炼电池的传统工艺)等原油回收方法不适用于石墨。凯泽说，“很可能你会使用火法冶金来烧掉石墨”。

如今，电池回收行业正在从火法冶金转向湿法冶金方法，其中废电池被粉碎并溶解在化学溶液中以提取和纯化各种金属。凯泽表示，尽管仍然存在“后勤问题”，但化学提取方法可以用于石墨提纯。大多数湿法冶金回收工艺使用强酸来提取阴极金属，但这些酸会破坏石墨的晶体结构。提取后可能需要更长或更强烈的热处理步骤来恢复石墨的形状，从而增加能源消耗和成本。

第三种方法是直接回收，其中电池材料被分离和修复以供再利用，而无需任何熔炼或酸处理。这种温和的过程旨在保持材料结构完整。直接回收是一种较新的想法，与其他两种方法相比，距离商业化还很远，并且在扩大规模方面存在一些挑战，因为它依赖于非常清洁和高效的材料分离。但最近的研究表明，对于阴极金属来说，它可以带来显著的环境和成本效益。凯泽表示，直接回收石墨可能比合成石墨生产“消耗更少的能源”。

如今，美国电池技术公司正在探索一系列石墨回收工艺。该公司开发了一种方法，首先将石墨与阴极金属等其他电池材料物理分离，然后进行化学纯化步骤。然后使用额外的机械和热处理来恢复石墨的原始结构。梅尔塞特表示，该公司目前在内华达州里诺市的实验室设施中正在“非常小规模”地回收石墨。但未来，它计划在能源部通过2021年两党基础设施法资助的三年期近1000万美元拨款的帮助下，扩大规模，每天回收数吨富含石墨的材料。

总部位于马萨诸塞州的电池回收初创公司Ascend Elements也开发了一种石墨纯化化学工艺。Ascend Elements副总裁RogerLin表示，该工艺被称为“水力转化为阳极”，它“来自我们在水力转化为阴极方面所做的一些工作”，这是该公司用于回收阴极材料的专利湿法冶金工艺。Ascend Elements能够将在初始粉碎步骤中受到污染的石墨纯度恢复到99.9%，超出了电动汽车行业的要求，同时还保留了高性能阳极所需的材料特性。去年10月，Ascend Elements和Koura Global宣布计划在美国建造首个“先进石墨回收设施”

与此同时，能源部支持的初创公司普林斯顿NuEnergy正在探索石墨的直接回收。去年，普林斯顿NuEnergy在德克萨斯州麦金尼开设了美国第一家试点直接回收工厂。在那里，电池粉碎后，并使用一系列物理分离过程来分类不同的材料，包括正极和负极材料。然后将阴极材料放入低温反应器中以去除污染物，然后采取额外的步骤来重建其原始结构。创始人兼首席执行官ChaoYan表示，同样的通用方法也可用于处理阳极材料。

“从第一天起，我们就考虑回收正极和负极材料，”严说。但到目前为止，该公司一直专注于阴极直接回收的商业化。严说，原因很简单：“过去没有客户关心负极材料。”

然而，这种情况正在开始改变。ChaoYan说，在过去的一年里，汽车制造商和电池制造商对石墨回收产生了更大的兴趣。梅尔塞特还表示，他开始对再生石墨产生“非常浓厚的兴趣”。

尽管如此，客户仍需等待一段时间才能购买用于电池的回收石墨。美国能源部车辆技术办公室电池研发项目经理布莱恩·坎宁安(Brian Cunningham)表示，提纯和修复石墨的方法仍需要改进，以降低回收成本。另一个限制步骤是坎宁安所说的“材料鉴定步骤”。

坎宁安说：“我们需要将回收石墨提高到公司可以向电池公司提供材料样品来评估材料的水平。”从非常小规模的生产转向允许电动汽车制造商测试产品的水平的过程可能需要几年时间才能完成。

供应链问题可能会加速石墨回收的商业化进程。今年夏天，能源部将天然石墨添加到其关键能源材料清单中。石墨列入美国地质调查局的关键矿物清单，这些矿物是先进技术所必需的，但面临供应中断的风险。

这种分类意味着国内采购的石墨可以帮助电动汽车获得“清洁车辆信贷”资格，该税收抵免包括根据2022年通货膨胀削减法案对关键矿物采购提出严格要求。为了获得全额信贷资格，电动汽车制造商必须从美国或自由贸易伙伴获得大部分电池矿物。到2025年，其车辆不得含有任何由“受关注外国实体”提取或加工的关键矿物。据分析，这一要求可能会“推动”回收石墨的溢价。

咨询公司Benchmark Mineral Intelligence的石墨分析师Yuan Gu表示，税收优惠可能是帮助再生石墨与原生石墨竞争的关键。Yuan Gu预计，由于目前市场上石墨“供应过剩”，石墨在不久的将来仍将保持相对便宜。虽然顾表示，石墨回收“肯定受到有兴趣确保未来供应的西方国家关注”，但其可行性将取决于“回收材料的成本或便宜程度”。

随着清洁能源转型的加速，石墨需求正在迅速增长，同时使整个电动汽车电池供应链更加可持续。如果石墨回收确实流行起来，业内人士希望它将能够满足未来石墨需求的很大一部分。