電池回收：另一挑戰的開始？
2023-02-01
作者
Bill Schweber, EE Times/EDN/Planet Analog資深技術編輯
回收、恢復原狀和再利用電池及其先進的配方，比起在紙張等更簡單的產品上進行同樣的事情，當然是更困難得多了，甚至是非常複雜的..
眾所周知，人們相當關注於改良的新型電池化學物質和結構。畢竟，即使是在體積或重量方面對於電池性能進行一小部份的改善，也會對於能量儲存和按需求供電的電池整體狀況造成重大影響。儘管如此，研究人員仍在尋求重大突破，雖然持續會有一些標榜小型到中型規模的突破，但從改良電池的實驗室版本到即使是適度的試運行，都迥異於具有數百萬單位的真正大規模生產及其引發的長期性能問題。
在電池方程式的另一面也非常重要：即如何妥善回收放電的一次性電池(不可充電)和耗盡的二次(可充電)電池。當然，二者都是礦物和其他材料的主要消費者，但由於各種類型的電動車(EV)和儲能系統(ESS)的發展，充電鋰離子電池最受矚目。事實上，電池回收並非僅單一循環途徑(圖1)。
圖1：從電池材料的採購到電池的初始使用，再到回收和再利用，有著許多不同的途徑。
(來源：Argonne National Laboratory)
現在有多少一次電池和二次電池被回收利用？如同這一類的許多問題一樣，答案取決於問題的背景和資料的來源。例如：
- 透過電池的數量、重量還是能源的容量來衡量？
- 是否包括通常會被扔進垃圾桶(即使不應該將其扔進垃圾桶)的小型鈕扣電池、筆記型電腦和智慧型手機用的中型電池組，以及EV和ESS中的大型電池組件？
- 是否使用國家、地區或全球編碼？
- 送去回收的電池數量或重量與實際回收和重複使用的材料數量之間有何關係？
- 電池化學物質之間的數字如何變化？
- 最後，一直存在的統計資料可信度問題：通常隨這些數字而來的表面精度是否也具有相應的準確度？
根據對這些問題的研究顯示，數字無處不在。其中似乎具有某種一致性和可信度的是，在歐盟(EU)，至少95%的傳統且仍廣泛使用的鉛酸電池被回收了，而只有約5%的鋰電池(「其他」)被回收利用(圖2)；這一數字在美國的情況大致相同。(此處介紹的研究來自不需要每年訂閱即可存取的來源。)
圖2：歐盟各國對鉛酸(上)、鎳鎘(中)和「其他」化學物質(下)的回收電池材料使用估計；請注意，這些數字高於鉛酸電池以外的其他估計值，而「其他」類別包括鋰電池，估計僅佔5%左右。
(資料來源：Eurostat)
為什麼回收與電池類型不同？有幾個原因。
首先，技術上來看，回收電池中的鉛比在我們所謂的「鋰」電池中對鈷、錳、磷酸鹽和鋰等礦物質進行複雜的混合要簡單得多。
此外，鉛酸電池的物理外形因素相對較少。
最後，這些電池有完善的回收鏈，通常可以在汽車經銷商、汽車用品店或廢品場進行回收。
儘管如此，回收電池和回收/再利用組成材料的潛在好處吸引了很多人的興趣，它可轉化為金錢，投資改良的基礎技術，以及建設設施來實現這一目的。《華爾街日報》(The Wall Street Journal)最近報導了針對回收研究和大型工廠的投資浪潮(政府撥款以及一些私人投資)。其中一些工廠是獨立營運的，然後將回收材料轉售給任何可能的人，而其他工廠則正式或非正式地與電池製造商或汽車製造商結盟。
他們都面臨的問題是現代技術的結果，而不僅僅是電池。
使我們的許多成就成為可能的是，經由材料科學，我們學會了如何修改、組合、混合和調整基本物質(石頭、木材、礦物、元素、石油、天然氣和礦石)，以創造具有合適特性的材料，以提供跨多種屬性所需的性能。(想想「簡單」連接器的玻璃環氧樹脂主體、金屬合金觸點和各種類型的薄表面電鍍層。)因此，產品或元件中沒有基本且易於定義的材料，而是所有經過改良後加以結合的複雜組合。
分解這些材料以將其恢復到原始而能重複使用的成份是很困難的，有時甚至是不可能的。這不僅僅是擰鬆、拆膠或拆釘子等有形元件的問題而已，而是需要大量的能源、化學品和物理領域等，而且通常還會產生令人討厭的殘留物。用通俗的話說，除非你運用大量的技術和精力，否則很難使其恢復原狀。
或許這是「熵」(entropy)原理的另一種表現，具有普遍無序的趨勢，因此試圖重建秩序即使並非不可能的任務也是極其艱鉅的。試想氣體釋放到腔室時的隨機混合情況。
實用且有效的電池回收及其後續的材料回收是否需要突破？例如，美國阿貢國家實驗室(Argonne National Laboratory；ANL)聲稱在鋰電池方面取得了「突破」，但這在此早期階段是一項重大的聲明。或者，僅僅是緩慢而穩定的進展就能讓我們到達目的？相較於回收和再利用現有的產品，只有在開採和提煉新礦物和材料的稀缺性以及成本變成更加沉重的負擔時，它才會被迫變得可行嗎？整個回收鏈在確保穩定供應或純材料方面究竟扮演什麼角色？
儘管有著金錢報酬和良好意圖，只是希望它能如此也不一定會實現。回收、恢復原狀和再利用這些先進的配方，比起在紙張等更簡單的產品上進行同樣的事情，當然是更困難得多了，甚至是非常複雜的。敬請期待，前方將會是一段有趣的旅程。
編譯：Susan Hong
(參考原文：Tackling Battery Recycling, the Other Big Challenge，by Bill Schweber)
