新能源汽車電池回收利用加速 推動電動汽車電池閉環回收
Redwood Materials不久將在其內華達州里諾市附近的一家新工廠內用回收材料生產電池陽極銅箔。松下將成為其首家客戶。（Redwood Materials）
電池材料的回收對汽車未來的電氣化轉型至關重要，但是回收產業的發展面臨著許多障礙。隨著汽車制造商和供應商向電氣化轉型，發展迅猛的電動汽車電池回收產業已經從可盈利的附屬產業轉變為必要產業。專家表示，當前的全球采礦產能根本無法滿足急劇增長的全球電池生產對原材料的需求。此外，這些原材料的開采還引發了許多潛在問題，例如，礦工的工作條件、場地污染、復雜的地緣政治問題以及礦產所有權集中化等。令人欣慰的是，美國政府最近頒布的《通脹削減法案》提供了一系列措施，鼓勵汽車制造商在其電池中使用回收材料。許多電池回收初創公司（包括特斯拉前首席技術官創立的公司）正在積極面對挑戰，并與汽車制造商開展合作。同時，汽車制造商也在關注成熟的回收技術——例如，濕法冶金（通常指浸出法，即將電池浸泡在酸性溶液中浸出金屬）和火法冶金（包括焙燒和熔煉），從廢舊鋰離子電動汽車電池中有效回收較高比例的關鍵金屬。但是，目前存在一個矛盾：許多電池公司正努力降低某些存在爭議且難以采購的金屬在其電池中的含量，而這可能也會降低電池資源化回收的經濟可行性。
Redwood Materials認為自己更多的是陽極和陰極材料的提供者，而不是材料回收商。該公司與福特、豐田、沃爾沃、Proterra和松下有合作伙伴關系和協議。（Redwood Materials）另一種方法，即直接回收或修復電池，也獲得了聯邦研究基金的資助，其優點是可以保留完整的陰極材料。美國阿貢國家實驗室應用材料部材料回收組組長兼ReCell中心研發計劃負責人Jeffrey Spangenbery表示，濕法冶金過程會破壞電池陰極。他解釋道：“如果我們能完整地保留陰極，就可以直接將其用于新電池中，從而節省大量資金。但是，直接回收也面臨許多問題。例如，電動汽車的壽命可能為20年，在此期間技術不會停滯不前。我們必須思考如何為舊陰極創造市場價值。”
電動汽車電池“生命周期”。（ANL）
存在爭議的資源鎳的短缺是一個迫在眉睫的關鍵問題，但是這一點經常被忽視，因為人們最關注的是鋰，其次是鈷。Guidehouse Insights首席電動汽車分析師Sam Abuelsamid表示，每生產100kWh的電動汽車電池組容量，就需要61-66kg鎳。如果電動汽車的普及率達到100%（預計到本世紀40年代之前都不太可能），而且我們只依賴富鎳電池，那么每年將大約需要580萬噸鎳。但是，Statista的數據表明，2021年全球鎳礦總產量僅為270萬噸。為滿足需求，鎳產業必須其全球產量增加一倍以上——除非電池回收成為可行方案。Abuelsamid說：“進行電池回收絕對是有必要的，我們不應該把含有這些關鍵金屬的廢舊電池直接填埋，而必須盡可能多地回收電池，因為我們未來對電動汽車電池的需求量將遠高于目前使用原材料生產的電池產量。”此外，俄烏沖突也加劇了鎳供應的復雜性。俄羅斯是全球第三大鎳供應國，在2022年第一季度，由于市場擔心供應中斷，鎳價格直接翻了一番，飆升至每噸10萬美元。而鎳只是組成鋰離子電池的爭議金屬之一。鋰離子電池是當前最先進的電池，至少在固態電池（不含液態電解質）生產出來以前如此。《金融時報》前大宗商品和礦業記者Henry Sanderson目前任職于基準礦業情報（Benchmark Mineral Intelligence），他也是《電池金屬淘金熱》（Volt Rush）一書的作者，這本新書專門探討鋰離子電池中有爭議的材料。Sanderson向SAE表示，“我們必須仔細審視電動汽車轉型背后隱蔽且不透明的供應鏈，目前中國控制了大多數的供應鏈。這一點不僅是安裝一些太陽能電池板的問題，而是涉及到原材料和采礦。”大部分的鋰產自智利、阿根廷和玻利維亞，主要通過蒸發干旱盆地中的鹵水來提取。自然資源保護協會（Natural Resources Defense Council）表示，“在當地和土著居民面臨水資源枯竭的情況下，這一做法加劇了國際重要濕地和保護區的生態破壞。許多當地人對采礦作業沒有發言權，也幾乎無法從中獲益。出于經濟和環境原因，主要的鋰礦生產國智利一直在討論將其鋰礦國有化。全球超過70%的鈷產自剛果民主共和國，該國存在嚴重的童工問題（根據某些消息來源，鈷礦童工比例高達40%）、持續的人權侵犯問題、惡劣的工作條件和極低的安全保障。日本環球先進科技公司（GlobalEDGE）報道，與鋰一樣，精煉鈷的主要產地也是中國。通過大規模的“一帶一路”全球發展倡議，中國公司已經擁有或資助了鋰礦和鈷礦的大部分股份，其中包括剛果 80%的鈷。中國龍頭公司在國際上進行強烈抗議后，剛果的采礦工作條件得到了些許改善。現在，部分精煉鈷的生產在剛果當地完成，這給當地人帶來了經濟效益。鈷的爭議依然很大。擁有15年鎢礦（鎢是另一種電池金屬，50%的鎢供應來自電池回收）開采經驗的Almonty Partners總經理Lewis Black表示，“鋰離子電池中的鈷終將被淘汰。”在意識到以上問題后，電池行業已經逐步降低了電池中的鈷含量，但目前為止，鈷依然是一種必不可少的電池金屬。鎳也存在爭議，其開采通常會造成環境破壞。例如，據估計，巴布亞新幾內亞的大型Ramu鎳礦每年向巴薩穆克灣傾倒68萬噸采礦廢料，導致當地聯盟提起訴訟，索賠52億美元。更具可持續性的鋰礦開采方法仍在研發中（包括美國國內采礦），但是從廢舊汽車電池中回收金屬是一種已經得到驗證的方法。美國能源部（DoE）表示，1噸電池級鋰原料可以從250噸礦石和750噸鹵水生產，也可以由28噸廢舊鋰離子電池生產。唯一的問題在于鋰離子電池回收率過低，到2019年仍不足5%，不過，電池回收行業正在快速發展。
大幅增產位于加拿大的Li-Cycle首席戰略官Kunal Phalpher表示，該公司致力于“從廢舊鋰離子電池中回收關鍵材料，并將其重新投入供應鏈。Li-Cylce通過拆解電池組得到塑料、銅和鋁，并出售給回收商。此外，該公司還利用濕法冶金技術，生產包含鈷、鋰和鎳在內的所謂“黑色物質”，具有高純度，可以重新投入供應鏈，并有助于建立國內資源供應。Li-Cycle于2021年在紐約證券交易所通過SPAC交易上市，該公司估計，到2030年，大約將有1500萬噸鋰離子電池退役，遠高于2020年的170萬噸。該公司創建了一個“中心輻射型”（hub and spoke）組織結構：其“輻射”工廠通過處理廢舊電池來生產黑色物質，而中心工廠通過分離黑色物質中的電池金屬并進行加工，以將其重新投入供應鏈。去年4月，LG化學和LG新能源將Li-Cycle認定為其北美首選電池回收合作伙伴，并向中心工廠提供“黑色物質”。不久后，瑞士公司嘉能可（Glencore）也表示將向Li-Cycle提供生產廢料和廢舊鋰離子電池，并將與LG化學一樣，從Li-Cycle那里“承購”黑色物質和其他材料。 在俄亥俄州的GM-LG Energy Solution Ultima 電池工廠，新的電池單元正在完成電池制造過程的最后階段。（GM）此外，Li-Cycle還與通用汽車合作，并將于2023年在通用汽車位于俄亥俄州的Ultium電池工廠附近建立一個回收中心。去年5月，Li-Cycle在亞利桑那州建立了它的第3家“輻射”工廠，該工廠每年可以處理多達1000噸的電池生產廢料和廢舊鋰離子電池。Li-Cycle將把其位于紐約州羅切斯特市的中心工廠業務擴大40%以上，從而將其年處理容量從25000噸提升至35000噸，這相當于需要9000噸電動汽車電池。Phalpher表示，“我們認為公司每年可以處理18萬輛廢舊電動汽車的電池，其秘訣就在于我們建立了一個圍繞黑色物質優化的系統和流程。我們生產的黑色物質是一種含有40%石墨的潮濕黑色粉末。保持潮濕可以防止鎳和鈷粉末在空氣中飛揚。”通用汽車電氣化戰略和電池工程主管Tim Grewe表示，公司正在尋求各種途徑，以避免填埋處理廢舊電池，并以低于開采成本的價格供應電池金屬，其中包括與Li-Cycle的俄亥俄州工廠合作。他表示，“目前市場上有資源化回收、重復利用和翻新三條發展路線，但不知道市場最后會選擇哪條。”通用汽車電動汽車電池可持續生態系統主管Melissa Flaherty表示，其目標是“最大限度地提升電池組中可回收材料的回收率。”自2013年以來，通用汽車已經回收或重復利用了所有從客戶那里獲得的電池組，其中包括通過保修更換的電池組。
電池終生解決方案特斯拉前首席技術官JB Straubel創立的Redwood Materials曾在2021年表示，已經從各種投資者和風險投資公司那里獲得了7.75億美元的融資。Redwood現擁有大約500名員工（并打算再雇傭500名），其目標不僅是從廢舊電池中提取電池金屬，而且還要將這些金屬材料加工成新的陰極和陽極銅箔。目前，這些重要部件主要在亞洲制造。Redwood表示，公司可以從廢舊鋰離子電池中回收95%的鎳、鈷、鋰和銅等金屬，然后再將其加工成新的電池材料，以供客戶使用。
Redwood Materials稱，在變成電動汽車電池組之前，金屬原材料需要從礦場飛躍平均5萬英里。到2025年，回收金屬將占該公司陰極材料的30%。（Redwood Materials）現在，該公司每年可以處理6GWh鋰離子電池，而且正在迅速擴張產能。Redwood表示，公司計劃到2025年將活性陰極材料和陽極銅箔的年產量提高至100GWh，以供100萬輛電動汽車使用。到2030年，公司希望將這些材料的年產量提升至500GWh，以供500萬輛電動汽車使用。Redwood在內華達州有一個175英畝的園區，靠近加州的大型電動汽車市場。陽極銅箔將于2022年底在內華達州開始生產，松下的超級工廠將是其第一家客戶。Redwood在2022年宣布與福特合作，還與沃爾沃、Proterra和松下簽署了協議。此外，為豐田旗下的普銳斯等汽車的混合動力電池提供產品終生解決方案。美國大眾集團也在2022年表示正在與Redwood合作，回收包括大眾、保時捷和奧迪汽車的電池。大眾集團服務和技術總監Steven Rufo表示，Redwood已經開始回收電池和模塊，回收將對其大眾經銷商網絡免費開放。“目前交易量仍然很低。我們的計劃是在擴大規模之前與Redwood簽約，這樣我們就可以了解什么行得通，什么行不通。目前基本上是在保修期內更換有缺陷的模塊，完全更換電池的情況比較少。”Rufo說，大眾正在尋找更高效、更便宜的運輸方案，因為電池模塊被歸類為第9類危險廢物，未經特殊處理不能移動。“也許我們需要在零部件倉庫回收材料，直到它符合批量運輸的安全標準。”Redwood的溝通與政府關系副總裁Alexis Georgeson表示，該公司的主營業務不是回收材料。“我們的核心業務是生產陽極和陰極材料，我們不銷售黑色物質，而是將其用作原料供我們自己使用。”Georgeson強調，公司需要一個不涉及向亞洲出口的國內閉環生產過程。“除非我們把材料留在國內，并開始在這里生產陰極，否則我們無法解決全部問題。金屬從礦場出發直到被用于電動汽車電池的生產，平均需要5萬英里的運輸距離。”到2025年，回收金屬將占公司陰極材料的30%，鈷將是100%來自于回收。Georgeson說，特斯拉超級工廠的廢料也將是一個重要的原料。“即使工廠的效率達到95%，仍然會產生大量的廢料。”早在2015年，位于馬薩諸塞州威斯特伯勒市專注于回收技術的企業Ascend Elements從美國伍斯特理工學院分離出來，專門利用回收電池生產新的陰極活性材料。公司市場與政府關系副總裁Roger Lin表示：“陰極是電池中最昂貴的組件。而陰極現在只在亞洲生產，美國的產能寥寥無幾。”Ascend稱其“hydro-to-cathode”工藝可以回收鋰離子電池中98%的材料。該公司在馬薩諸塞州和密歇根州開展了試點項目，并正在亞特蘭大附近建設一座15.4萬平方英尺的商業規模工廠，將于2022年底開始運行，使用的材料來自SK Battery America位于佐治亞州Commerce的工廠。2021年，Ascend還與本田建立了合作伙伴關系，達成了一項回收本田和謳歌汽車材料的協議。
Ascend Elements的Roger Lin斷言，OEM正意識到批量生產電動汽車的同時，也要考慮到整個生命周期使用情況。（Ascend Elements）“現在這個領域很活躍，” Lin表示。“汽車制造商正在意識到，如果他們想要大量生產電動汽車，就必須考慮到其使用壽命。這也是相關合作大量涌現的原因。”一個關鍵問題是：如果未來的電動汽車電池中鈷、鎳和其他金屬的含量遠低于現在，回收利用還有經濟效益嗎？通用汽車的Grewe說凱迪拉克新款Lyriq電動汽車電池的鈷含量比雪佛蘭Bolt少70%。Lin認為，即使這些金屬的數量減少，資源化回收仍然是可行的，一方面是因為老款電池仍然含有大量金屬，另一方面是因為鋰本身不太可能在短時間內從電池中消失，而其價格和價值現已飆升至極高的水平。Sanderson表示同意：“根據現在的鋰價格（今年在中國上漲了400%），資源化回收在經濟上依然是可行的。”Redwood的Georgeson解釋說，因為回收不是公司的主要業務，因此某些金屬的減少不會對其產生重大影響。“我們回收的所有東西都是我們生產陰極和陽極所需的戰略性金屬來源。”Lin表示，制造商可能能夠在短期內減少，但無法消除電池中的問題元素。目前存在不使用任何鈷或鎳的電池材料體系，如磷酸鋰離子（磷酸鋰鐵，LFP）電池，但后者的能量密度太低。固態電池是另一項正在開發的技術，它不需要鎳和鈷，也不需要液體電解質。有些人對鋰離子電池的回收確實持懷疑態度。Almonty的Black認為，包括印制電路板在內的一些部件不能回收，而且處理鈷對該行業而言是一個頗具爭議的問題。
重新利用舊電池用過的電動汽車電池組并不一定需要被還原為組成它們的金屬，它們也可以被重新利用。目前有兩種頗具潛力的用途，一是用作間歇性可再生能源發電的固態電池，二是用作電動汽車充電站點的儲能電池，以緩解電力公司的用電需求高峰。重新利用的電池組可以從發生過事故的電動汽車或已達到使用壽命的電動汽車中獲取。麥肯錫稱，到2030年，固定設施用途的再利用電池的供應量可能超過200千兆瓦時，屆時成本將比目前低30-70%，成為市場主力。麥肯錫的報告稱，即使當這些電池不能再為汽車高效地提供動力，它們的剩余容量仍有初始容量的80%。憂思科學家聯盟（UCS）估計，二手電動汽車電池可以在二次應用中繼續服務5-8年。據《橘郡紀事報（Orange County Register）》報道，加州擁有全球42%的電動汽車。2018年頒布的一項法案呼吁制定法規，確保“該州接近100%的鋰離子電池在使用壽命結束時得到重新利用或回收”。但要實現這個令人欽佩的目標并不容易。Electrify America（大眾汽車柴油門事件和解協議組建的充電公司）能源服務主管Jigar Shah表示，公司目前在美國的充電站擁有150個用戶側鋰離子儲備電池，主要是為了緩解電網充電需求。但不幸的是，Shah表示回收的電池組“目前達不到我們需要的性能特征。”UCS表示，讓舊電池達到可以重新利用的狀態不僅僅是讓它們接上電源那么簡單。該公司的報告稱：“要將舊電池用作固定儲能電池，必須經歷幾個過程（包括測試、完全放電和重新配置），目前這些過程既昂貴又耗時。”另一個問題是，一個完善的再利用行業需要充足的報廢電池供應。通用汽車的Grewe說：“目前大部分電池仍在車上工作。我們的第一代Volt基本已經行駛了10萬英里以上，但電池依然很強勁。目前可供應的二手電池數量并不多。”大眾汽車的Steven Rufo說，在回收方案可行之前就提出電池重復利用是絕對不會得到重視的。“將材料重新投入陰極生產可能更好。但還有很多不確定性，我們還處于這個過程的早期階段。”
大眾汽車的Steven Lupo表示，電池材料需要更高效、更便宜的收集解決方案。（大眾）電動汽車電池的重新利用和資源化回收確實還處于萌芽階段，但在研究和大量投資的支持下，該行業正呈現增長勢頭。
提振美國國內供應在美國國內，電動汽車電池金屬的供應正在加快。目前，有三家公司正在加州的索爾頓海（Salton Sea）開發鋰，作為當地現有地熱開發的副產品。業內一度將鋰作為廢料拋棄，但隨著這種金屬的國際價格飆升，以及汽車制造商希望規避采購爭議，該資源正在加大開發。由于大多數電動汽車電池使用的鋰來自南美洲干旱地區的蒸發工藝，因此加州的鋰供應可能要環保得多。這三家公司分別是Controlled Thermal Resources（CTR，由通用汽車投資并與斯特蘭蒂斯簽署了購買協議）、Berkshire Hathaway Energy Renewables和EnergySource Minerals。目前沒有一家公司的鋰產量達到了商業規模，但EnergySource和CTR計劃最早在2024年開始運行并交付氫氧化鋰。EnergySource的工廠位于一個現有的地熱開采點，并已通過生產鋰的審批。CTR目前正在建設一座全新的49MW基載地熱電廠，該工廠每年還能生產2.5萬噸鋰；第二階段的目標是在2025年底之前增加130MW的發電容量和5萬噸鋰年產能。而BHE可再生能源公司計劃于2026年開始運行。CTR的首席執行官Rod Colwell表示：“我們正與汽車行業開展緊密合作，將我們的業務部署在整個電池供應鏈上。”CTR在加利福尼亞州和澳大利亞均設有辦事處。“宣布建設一座新的超級工廠是一回事，但確保原材料和開發整個電池生態系統以支持工廠的運作也非常重要。”EnergySource公司總裁兼首席執行官Eric Spomer表示，該公司的工藝“幾乎適用于任何地方的任何鹵水”，并且能夠回收高達90%的可用鋰，而南美的蒸發工藝只能回收45%。公司有四個試點工廠，三個在美國，一個在阿根廷。Spomer說：“雖然尚未公布，但我們已經找到了合作伙伴。鋰是一種并不罕見的元素，但難點在于實現生產工藝脫碳并降低環境影響的同時，如何仍保持優于其他提取方法的經濟競爭力。我們認為這是一個重要且頗具吸引力的項目。”根據美國地質調查局（USGS）的數據，美國不在十大鈷生產國之列，但加拿大排名第五（加拿大2021年生產了4300噸鈷，剛果生產12萬噸）。據估計，歐洲在12個國家有151處鈷礦，總儲量為130萬噸，但實際開采的數量并不多。中國既是全球領先的精煉鈷生產國，也是全球最大的消費國（用于電池生產）。這并不是說美國沒有鈷——據美國地質調查局的一份報告估計，美國的鈷儲量為100萬噸（全球探明的儲量為2500萬噸），大部分在明尼蘇達州。但美國2019年的產量只有500噸。除剛果和摩洛哥外，大多數鈷都是銅或鎳生產的副產品。密歇根的鷹礦（Eagle Mine）也是如此。鷹礦在生產銅或鎳的同時，將少量的鈷與鈀、銀和金一起提取出來。該礦場屬于加拿大的Lundin公司，但它是美國唯一的鎳主要生產商。不幸的是，該礦場的資源非常有限，除非發現更多供應，否則它將在2026年關閉，更不用說增產了。美國總統拜登4月下令，國防部應將電動汽車中使用的五種金屬（鈷、鋰、石墨、鎳和錳）視為對國家安全至關重要的金屬，這會激勵采礦的發展。該指令將允許將聯邦資金用于相關的研究項目，其中包括確定一座擬議的礦山是否具有經濟可行性，或者一座生產一種重要礦物的礦山是否也可以生產另一種重要礦物。2022年初，拜登政府撥出31億美元支持電池和關鍵金屬鋰、鈷和鎳的國內生產。更重要的是，拜登在8月簽署的《通貨膨脹削減法案》強烈鼓勵汽車制造商在生產汽車的同時，從北美采購電池和稀土金屬（無論是來自開采還是回收），符合條件的制造商可獲得7500美元的聯邦稅收抵免。到2024年，40%的礦產必須在美國（或與其簽署自由貿易協議的國家）進行開采或加工。2026年以后，這個要求將達到80%。這項新法律有力地刺激了國內稀土金屬的生產，多家公司紛紛公布相關計劃。Piedmont Lithium表示計劃在北卡羅來納州和田納西州建立鋰工廠。光是田納西工廠的年產量目標就是目前美國氫氧化鋰總產量的兩倍。公司首席執行官Keith Phillips說：“我們想成為北美最大的鋰生產商。”他表示聯邦稅收抵免是一個很大的推動因素，“7500美元是一大筆錢”。在內華達州運營著北美目前唯一鋰礦的Albemarle也表示，拜登法案的條款將鼓勵公司開發新的國內鋰礦和精煉產能。加拿大的Snow Lake Lithium公司已提議在曼尼托巴省（Manitoba）南部建廠，并稱該工廠將在10年內生產足夠的鋰（16萬噸）為500萬輛電動汽車提供動力。Talon Metals曾提議在明尼蘇達州的塔馬拉克（Amarack）建設一座據稱可持續運營的鎳礦，但遭到了一些環保組織的抵制。有460多家成員公司參與的“負責任礦產倡議”（RMI）也在推動對爭議資源的摒棄。作為成員公司，寶馬已簽署了一項從摩洛哥和澳大利亞購買鈷的長期協議，以避免在剛果采購。其他參與倡議的汽車制造商還包括戴姆勒、福特、通用、本田北美、斯特蘭蒂斯、特斯拉、沃爾沃和大眾。RMI還致力于改善剛果南部兩個省份的小型鈷礦的工作條件。
電池材料的回收對汽車未來的電氣化轉型至關重要，但是回收產業的發展面臨著許多障礙。隨著汽車制造商和供應商向電氣化轉型，發展迅猛的電動汽車電池回收產業已經從可盈利的附屬產業轉變為必要產業。專家表示，當前的全球采礦產能根本無法滿足急劇增長的全球電池生產對原材料的需求。此外，這些原材料的開采還引發了許多潛在問題，例如，礦工的工作條件、場地污染、復雜的地緣政治問題以及礦產所有權集中化等。令人欣慰的是，美國政府最近頒布的《通脹削減法案》提供了一系列措施，鼓勵汽車制造商在其電池中使用回收材料。許多電池回收初創公司（包括特斯拉前首席技術官創立的公司）正在積極面對挑戰，并與汽車制造商開展合作。同時，汽車制造商也在關注成熟的回收技術——例如，濕法冶金（通常指浸出法，即將電池浸泡在酸性溶液中浸出金屬）和火法冶金（包括焙燒和熔煉），從廢舊鋰離子電動汽車電池中有效回收較高比例的關鍵金屬。但是，目前存在一個矛盾：許多電池公司正努力降低某些存在爭議且難以采購的金屬在其電池中的含量，而這可能也會降低電池資源化回收的經濟可行性。
Redwood Materials認為自己更多的是陽極和陰極材料的提供者，而不是材料回收商。該公司與福特、豐田、沃爾沃、Proterra和松下有合作伙伴關系和協議。（Redwood Materials）另一種方法，即直接回收或修復電池，也獲得了聯邦研究基金的資助，其優點是可以保留完整的陰極材料。美國阿貢國家實驗室應用材料部材料回收組組長兼ReCell中心研發計劃負責人Jeffrey Spangenbery表示，濕法冶金過程會破壞電池陰極。他解釋道：“如果我們能完整地保留陰極，就可以直接將其用于新電池中，從而節省大量資金。但是，直接回收也面臨許多問題。例如，電動汽車的壽命可能為20年，在此期間技術不會停滯不前。我們必須思考如何為舊陰極創造市場價值。”電動汽車電池“生命周期”。（ANL）存在爭議的資源鎳的短缺是一個迫在眉睫的關鍵問題，但是這一點經常被忽視，因為人們最關注的是鋰，其次是鈷。Guidehouse Insights首席電動汽車分析師Sam Abuelsamid表示，每生產100kWh的電動汽車電池組容量，就需要61-66kg鎳。如果電動汽車的普及率達到100%（預計到本世紀40年代之前都不太可能），而且我們只依賴富鎳電池，那么每年將大約需要580萬噸鎳。但是，Statista的數據表明，2021年全球鎳礦總產量僅為270萬噸。為滿足需求，鎳產業必須其全球產量增加一倍以上——除非電池回收成為可行方案。Abuelsamid說：“進行電池回收絕對是有必要的，我們不應該把含有這些關鍵金屬的廢舊電池直接填埋，而必須盡可能多地回收電池，因為我們未來對電動汽車電池的需求量將遠高于目前使用原材料生產的電池產量。”此外，俄烏沖突也加劇了鎳供應的復雜性。俄羅斯是全球第三大鎳供應國，在2022年第一季度，由于市場擔心供應中斷，鎳價格直接翻了一番，飆升至每噸10萬美元。而鎳只是組成鋰離子電池的爭議金屬之一。鋰離子電池是當前最先進的電池，至少在固態電池（不含液態電解質）生產出來以前如此。《金融時報》前大宗商品和礦業記者Henry Sanderson目前任職于基準礦業情報（Benchmark Mineral Intelligence），他也是《電池金屬淘金熱》（Volt Rush）一書的作者，這本新書專門探討鋰離子電池中有爭議的材料。Sanderson向SAE表示，“我們必須仔細審視電動汽車轉型背后隱蔽且不透明的供應鏈，目前中國控制了大多數的供應鏈。這一點不僅是安裝一些太陽能電池板的問題，而是涉及到原材料和采礦。”大部分的鋰產自智利、阿根廷和玻利維亞，主要通過蒸發干旱盆地中的鹵水來提取。自然資源保護協會（Natural Resources Defense Council）表示，“在當地和土著居民面臨水資源枯竭的情況下，這一做法加劇了國際重要濕地和保護區的生態破壞。許多當地人對采礦作業沒有發言權，也幾乎無法從中獲益。出于經濟和環境原因，主要的鋰礦生產國智利一直在討論將其鋰礦國有化。全球超過70%的鈷產自剛果民主共和國，該國存在嚴重的童工問題（根據某些消息來源，鈷礦童工比例高達40%）、持續的人權侵犯問題、惡劣的工作條件和極低的安全保障。日本環球先進科技公司（GlobalEDGE）報道，與鋰一樣，精煉鈷的主要產地也是中國。通過大規模的“一帶一路”全球發展倡議，中國公司已經擁有或資助了鋰礦和鈷礦的大部分股份，其中包括剛果 80%的鈷。中國龍頭公司在國際上進行強烈抗議后，剛果的采礦工作條件得到了些許改善。現在，部分精煉鈷的生產在剛果當地完成，這給當地人帶來了經濟效益。鈷的爭議依然很大。擁有15年鎢礦（鎢是另一種電池金屬，50%的鎢供應來自電池回收）開采經驗的Almonty Partners總經理Lewis Black表示，“鋰離子電池中的鈷終將被淘汰。”在意識到以上問題后，電池行業已經逐步降低了電池中的鈷含量，但目前為止，鈷依然是一種必不可少的電池金屬。鎳也存在爭議，其開采通常會造成環境破壞。例如，據估計，巴布亞新幾內亞的大型Ramu鎳礦每年向巴薩穆克灣傾倒68萬噸采礦廢料，導致當地聯盟提起訴訟，索賠52億美元。更具可持續性的鋰礦開采方法仍在研發中（包括美國國內采礦），但是從廢舊汽車電池中回收金屬是一種已經得到驗證的方法。美國能源部（DoE）表示，1噸電池級鋰原料可以從250噸礦石和750噸鹵水生產，也可以由28噸廢舊鋰離子電池生產。唯一的問題在于鋰離子電池回收率過低，到2019年仍不足5%，不過，電池回收行業正在快速發展。
大幅增產位于加拿大的Li-Cycle首席戰略官Kunal Phalpher表示，該公司致力于“從廢舊鋰離子電池中回收關鍵材料，并將其重新投入供應鏈。Li-Cylce通過拆解電池組得到塑料、銅和鋁，并出售給回收商。此外，該公司還利用濕法冶金技術，生產包含鈷、鋰和鎳在內的所謂“黑色物質”，具有高純度，可以重新投入供應鏈，并有助于建立國內資源供應。Li-Cycle于2021年在紐約證券交易所通過SPAC交易上市，該公司估計，到2030年，大約將有1500萬噸鋰離子電池退役，遠高于2020年的170萬噸。該公司創建了一個“中心輻射型”（hub and spoke）組織結構：其“輻射”工廠通過處理廢舊電池來生產黑色物質，而中心工廠通過分離黑色物質中的電池金屬并進行加工，以將其重新投入供應鏈。去年4月，LG化學和LG新能源將Li-Cycle認定為其北美首選電池回收合作伙伴，并向中心工廠提供“黑色物質”。不久后，瑞士公司嘉能可（Glencore）也表示將向Li-Cycle提供生產廢料和廢舊鋰離子電池，并將與LG化學一樣，從Li-Cycle那里“承購”黑色物質和其他材料。 在俄亥俄州的GM-LG Energy Solution Ultima 電池工廠，新的電池單元正在完成電池制造過程的最后階段。（GM）此外，Li-Cycle還與通用汽車合作，并將于2023年在通用汽車位于俄亥俄州的Ultium電池工廠附近建立一個回收中心。去年5月，Li-Cycle在亞利桑那州建立了它的第3家“輻射”工廠，該工廠每年可以處理多達1000噸的電池生產廢料和廢舊鋰離子電池。Li-Cycle將把其位于紐約州羅切斯特市的中心工廠業務擴大40%以上，從而將其年處理容量從25000噸提升至35000噸，這相當于需要9000噸電動汽車電池。Phalpher表示，“我們認為公司每年可以處理18萬輛廢舊電動汽車的電池，其秘訣就在于我們建立了一個圍繞黑色物質優化的系統和流程。我們生產的黑色物質是一種含有40%石墨的潮濕黑色粉末。保持潮濕可以防止鎳和鈷粉末在空氣中飛揚。”通用汽車電氣化戰略和電池工程主管Tim Grewe表示，公司正在尋求各種途徑，以避免填埋處理廢舊電池，并以低于開采成本的價格供應電池金屬，其中包括與Li-Cycle的俄亥俄州工廠合作。他表示，“目前市場上有資源化回收、重復利用和翻新三條發展路線，但不知道市場最后會選擇哪條。”通用汽車電動汽車電池可持續生態系統主管Melissa Flaherty表示，其目標是“最大限度地提升電池組中可回收材料的回收率。”自2013年以來，通用汽車已經回收或重復利用了所有從客戶那里獲得的電池組，其中包括通過保修更換的電池組。
電池終生解決方案特斯拉前首席技術官JB Straubel創立的Redwood Materials曾在2021年表示，已經從各種投資者和風險投資公司那里獲得了7.75億美元的融資。Redwood現擁有大約500名員工（并打算再雇傭500名），其目標不僅是從廢舊電池中提取電池金屬，而且還要將這些金屬材料加工成新的陰極和陽極銅箔。目前，這些重要部件主要在亞洲制造。Redwood表示，公司可以從廢舊鋰離子電池中回收95%的鎳、鈷、鋰和銅等金屬，然后再將其加工成新的電池材料，以供客戶使用。
Redwood Materials稱，在變成電動汽車電池組之前，金屬原材料需要從礦場飛躍平均5萬英里。到2025年，回收金屬將占該公司陰極材料的30%。（Redwood Materials）現在，該公司每年可以處理6GWh鋰離子電池，而且正在迅速擴張產能。Redwood表示，公司計劃到2025年將活性陰極材料和陽極銅箔的年產量提高至100GWh，以供100萬輛電動汽車使用。到2030年，公司希望將這些材料的年產量提升至500GWh，以供500萬輛電動汽車使用。Redwood在內華達州有一個175英畝的園區，靠近加州的大型電動汽車市場。陽極銅箔將于2022年底在內華達州開始生產，松下的超級工廠將是其第一家客戶。Redwood在2022年宣布與福特合作，還與沃爾沃、Proterra和松下簽署了協議。此外，為豐田旗下的普銳斯等汽車的混合動力電池提供產品終生解決方案。美國大眾集團也在2022年表示正在與Redwood合作，回收包括大眾、保時捷和奧迪汽車的電池。大眾集團服務和技術總監Steven Rufo表示，Redwood已經開始回收電池和模塊，回收將對其大眾經銷商網絡免費開放。“目前交易量仍然很低。我們的計劃是在擴大規模之前與Redwood簽約，這樣我們就可以了解什么行得通，什么行不通。目前基本上是在保修期內更換有缺陷的模塊，完全更換電池的情況比較少。”Rufo說，大眾正在尋找更高效、更便宜的運輸方案，因為電池模塊被歸類為第9類危險廢物，未經特殊處理不能移動。“也許我們需要在零部件倉庫回收材料，直到它符合批量運輸的安全標準。”Redwood的溝通與政府關系副總裁Alexis Georgeson表示，該公司的主營業務不是回收材料。“我們的核心業務是生產陽極和陰極材料，我們不銷售黑色物質，而是將其用作原料供我們自己使用。”Georgeson強調，公司需要一個不涉及向亞洲出口的國內閉環生產過程。“除非我們把材料留在國內，并開始在這里生產陰極，否則我們無法解決全部問題。金屬從礦場出發直到被用于電動汽車電池的生產，平均需要5萬英里的運輸距離。”到2025年，回收金屬將占公司陰極材料的30%，鈷將是100%來自于回收。Georgeson說，特斯拉超級工廠的廢料也將是一個重要的原料。“即使工廠的效率達到95%，仍然會產生大量的廢料。”早在2015年，位于馬薩諸塞州威斯特伯勒市專注于回收技術的企業Ascend Elements從美國伍斯特理工學院分離出來，專門利用回收電池生產新的陰極活性材料。公司市場與政府關系副總裁Roger Lin表示：“陰極是電池中最昂貴的組件。而陰極現在只在亞洲生產，美國的產能寥寥無幾。”Ascend稱其“hydro-to-cathode”工藝可以回收鋰離子電池中98%的材料。該公司在馬薩諸塞州和密歇根州開展了試點項目，并正在亞特蘭大附近建設一座15.4萬平方英尺的商業規模工廠，將于2022年底開始運行，使用的材料來自SK Battery America位于佐治亞州Commerce的工廠。2021年，Ascend還與本田建立了合作伙伴關系，達成了一項回收本田和謳歌汽車材料的協議。Ascend Elements的Roger Lin斷言，OEM正意識到批量生產電動汽車的同時，也要考慮到整個生命周期使用情況。（Ascend Elements）“現在這個領域很活躍，” Lin表示。“汽車制造商正在意識到，如果他們想要大量生產電動汽車，就必須考慮到其使用壽命。這也是相關合作大量涌現的原因。”一個關鍵問題是：如果未來的電動汽車電池中鈷、鎳和其他金屬的含量遠低于現在，回收利用還有經濟效益嗎？通用汽車的Grewe說凱迪拉克新款Lyriq電動汽車電池的鈷含量比雪佛蘭Bolt少70%。Lin認為，即使這些金屬的數量減少，資源化回收仍然是可行的，一方面是因為老款電池仍然含有大量金屬，另一方面是因為鋰本身不太可能在短時間內從電池中消失，而其價格和價值現已飆升至極高的水平。Sanderson表示同意：“根據現在的鋰價格（今年在中國上漲了400%），資源化回收在經濟上依然是可行的。”Redwood的Georgeson解釋說，因為回收不是公司的主要業務，因此某些金屬的減少不會對其產生重大影響。“我們回收的所有東西都是我們生產陰極和陽極所需的戰略性金屬來源。”Lin表示，制造商可能能夠在短期內減少，但無法消除電池中的問題元素。目前存在不使用任何鈷或鎳的電池材料體系，如磷酸鋰離子（磷酸鋰鐵，LFP）電池，但后者的能量密度太低。固態電池是另一項正在開發的技術，它不需要鎳和鈷，也不需要液體電解質。有些人對鋰離子電池的回收確實持懷疑態度。Almonty的Black認為，包括印制電路板在內的一些部件不能回收，而且處理鈷對該行業而言是一個頗具爭議的問題。重新利用舊電池用過的電動汽車電池組并不一定需要被還原為組成它們的金屬，它們也可以被重新利用。目前有兩種頗具潛力的用途，一是用作間歇性可再生能源發電的固態電池，二是用作電動汽車充電站點的儲能電池，以緩解電力公司的用電需求高峰。重新利用的電池組可以從發生過事故的電動汽車或已達到使用壽命的電動汽車中獲取。麥肯錫稱，到2030年，固定設施用途的再利用電池的供應量可能超過200千兆瓦時，屆時成本將比目前低30-70%，成為市場主力。麥肯錫的報告稱，即使當這些電池不能再為汽車高效地提供動力，它們的剩余容量仍有初始容量的80%。憂思科學家聯盟（UCS）估計，二手電動汽車電池可以在二次應用中繼續服務5-8年。據《橘郡紀事報（Orange County Register）》報道，加州擁有全球42%的電動汽車。2018年頒布的一項法案呼吁制定法規，確保“該州接近100%的鋰離子電池在使用壽命結束時得到重新利用或回收”。但要實現這個令人欽佩的目標并不容易。Electrify America（大眾汽車柴油門事件和解協議組建的充電公司）能源服務主管Jigar Shah表示，公司目前在美國的充電站擁有150個用戶側鋰離子儲備電池，主要是為了緩解電網充電需求。但不幸的是，Shah表示回收的電池組“目前達不到我們需要的性能特征。”UCS表示，讓舊電池達到可以重新利用的狀態不僅僅是讓它們接上電源那么簡單。該公司的報告稱：“要將舊電池用作固定儲能電池，必須經歷幾個過程（包括測試、完全放電和重新配置），目前這些過程既昂貴又耗時。”另一個問題是，一個完善的再利用行業需要充足的報廢電池供應。通用汽車的Grewe說：“目前大部分電池仍在車上工作。我們的第一代Volt基本已經行駛了10萬英里以上，但電池依然很強勁。目前可供應的二手電池數量并不多。”大眾汽車的Steven Rufo說，在回收方案可行之前就提出電池重復利用是絕對不會得到重視的。“將材料重新投入陰極生產可能更好。但還有很多不確定性，我們還處于這個過程的早期階段。”
大眾汽車的Steven Lupo表示，電池材料需要更高效、更便宜的收集解決方案。（大眾）電動汽車電池的重新利用和資源化回收確實還處于萌芽階段，但在研究和大量投資的支持下，該行業正呈現增長勢頭。提振美國國內供應在美國國內，電動汽車電池金屬的供應正在加快。目前，有三家公司正在加州的索爾頓海（Salton Sea）開發鋰，作為當地現有地熱開發的副產品。業內一度將鋰作為廢料拋棄，但隨著這種金屬的國際價格飆升，以及汽車制造商希望規避采購爭議，該資源正在加大開發。由于大多數電動汽車電池使用的鋰來自南美洲干旱地區的蒸發工藝，因此加州的鋰供應可能要環保得多。這三家公司分別是Controlled Thermal Resources（CTR，由通用汽車投資并與斯特蘭蒂斯簽署了購買協議）、Berkshire Hathaway Energy Renewables和EnergySource Minerals。目前沒有一家公司的鋰產量達到了商業規模，但EnergySource和CTR計劃最早在2024年開始運行并交付氫氧化鋰。EnergySource的工廠位于一個現有的地熱開采點，并已通過生產鋰的審批。CTR目前正在建設一座全新的49MW基載地熱電廠，該工廠每年還能生產2.5萬噸鋰；第二階段的目標是在2025年底之前增加130MW的發電容量和5萬噸鋰年產能。而BHE可再生能源公司計劃于2026年開始運行。CTR的首席執行官Rod Colwell表示：“我們正與汽車行業開展緊密合作，將我們的業務部署在整個電池供應鏈上。”CTR在加利福尼亞州和澳大利亞均設有辦事處。“宣布建設一座新的超級工廠是一回事，但確保原材料和開發整個電池生態系統以支持工廠的運作也非常重要。”EnergySource公司總裁兼首席執行官Eric Spomer表示，該公司的工藝“幾乎適用于任何地方的任何鹵水”，并且能夠回收高達90%的可用鋰，而南美的蒸發工藝只能回收45%。公司有四個試點工廠，三個在美國，一個在阿根廷。Spomer說：“雖然尚未公布，但我們已經找到了合作伙伴。鋰是一種并不罕見的元素，但難點在于實現生產工藝脫碳并降低環境影響的同時，如何仍保持優于其他提取方法的經濟競爭力。我們認為這是一個重要且頗具吸引力的項目。”根據美國地質調查局（USGS）的數據，美國不在十大鈷生產國之列，但加拿大排名第五（加拿大2021年生產了4300噸鈷，剛果生產12萬噸）。據估計，歐洲在12個國家有151處鈷礦，總儲量為130萬噸，但實際開采的數量并不多。中國既是全球領先的精煉鈷生產國，也是全球最大的消費國（用于電池生產）。這并不是說美國沒有鈷——據美國地質調查局的一份報告估計，美國的鈷儲量為100萬噸（全球探明的儲量為2500萬噸），大部分在明尼蘇達州。但美國2019年的產量只有500噸。除剛果和摩洛哥外，大多數鈷都是銅或鎳生產的副產品。密歇根的鷹礦（Eagle Mine）也是如此。鷹礦在生產銅或鎳的同時，將少量的鈷與鈀、銀和金一起提取出來。該礦場屬于加拿大的Lundin公司，但它是美國唯一的鎳主要生產商。不幸的是，該礦場的資源非常有限，除非發現更多供應，否則它將在2026年關閉，更不用說增產了。美國總統拜登4月下令，國防部應將電動汽車中使用的五種金屬（鈷、鋰、石墨、鎳和錳）視為對國家安全至關重要的金屬，這會激勵采礦的發展。該指令將允許將聯邦資金用于相關的研究項目，其中包括確定一座擬議的礦山是否具有經濟可行性，或者一座生產一種重要礦物的礦山是否也可以生產另一種重要礦物。2022年初，拜登政府撥出31億美元支持電池和關鍵金屬鋰、鈷和鎳的國內生產。更重要的是，拜登在8月簽署的《通貨膨脹削減法案》強烈鼓勵汽車制造商在生產汽車的同時，從北美采購電池和稀土金屬（無論是來自開采還是回收），符合條件的制造商可獲得7500美元的聯邦稅收抵免。到2024年，40%的礦產必須在美國（或與其簽署自由貿易協議的國家）進行開采或加工。2026年以后，這個要求將達到80%。這項新法律有力地刺激了國內稀土金屬的生產，多家公司紛紛公布相關計劃。Piedmont Lithium表示計劃在北卡羅來納州和田納西州建立鋰工廠。光是田納西工廠的年產量目標就是目前美國氫氧化鋰總產量的兩倍。公司首席執行官Keith Phillips說：“我們想成為北美最大的鋰生產商。”他表示聯邦稅收抵免是一個很大的推動因素，“7500美元是一大筆錢”。在內華達州運營著北美目前唯一鋰礦的Albemarle也表示，拜登法案的條款將鼓勵公司開發新的國內鋰礦和精煉產能。加拿大的Snow Lake Lithium公司已提議在曼尼托巴省（Manitoba）南部建廠，并稱該工廠將在10年內生產足夠的鋰（16萬噸）為500萬輛電動汽車提供動力。Talon Metals曾提議在明尼蘇達州的塔馬拉克（Amarack）建設一座據稱可持續運營的鎳礦，但遭到了一些環保組織的抵制。有460多家成員公司參與的“負責任礦產倡議”（RMI）也在推動對爭議資源的摒棄。作為成員公司，寶馬已簽署了一項從摩洛哥和澳大利亞購買鈷的長期協議，以避免在剛果采購。其他參與倡議的汽車制造商還包括戴姆勒、福特、通用、本田北美、斯特蘭蒂斯、特斯拉、沃爾沃和大眾。RMI還致力于改善剛果南部兩個省份的小型鈷礦的工作條件。
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原文標題：推動電動汽車電池閉環回收——突破全球資源困局
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