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摘 要
动力电池的广泛需求引发了锂离子电池（LIBs）使用量的爆发性增长。受电池使用寿命的限制，大量的LIBs将陆续地进入报废期，这将催生一个庞大的废旧LIBs回收市场。然而，由于生产制造过程中缺乏统一的指导标准，市面流通的LIBs在类型、外观和内部结构上存在较大的差异性，使得废旧LIBs的回收陷入了回收率低、回收效率差、效益不明显的窘境。本文中，东北师范大学刘益春院士、吴兴隆教授团队从总结和分析LIBs回收的现状和挑战出发，对退役LIBs的系统性回收路线进行了展望，提出了梯度利用和电池全生命周期管理的预设策略。此外，本文还提出了提高废旧LIBs循环利用效率的建议，期望通过多方合作来推进可持续和可靠的回收路线的展开。
研究背景
动力电气化改变了全球以化石燃料为主导能源的格局，最具代表性的便是电动汽车的蓬勃发展。由于政策扶持、成本降低和制造技术提升的多重作用，电动汽车的生产量和销售量激增。电力市场的强劲发展势头也刺激了对LIBs及上游原材料的消耗量大幅增长。据估计，未来LIBs生产量需达到40兆瓦/年才能满足市场需求。然而，受LIBs使用寿命的限制，大量的LIBs已陆续进入报废期，即将掀起退役浪潮。如何对大批废旧LIBs进行高效的利用和回收，成为了社会热点。在这篇展望论文中，基于绿色可持续发展理念，我们阐述了退役LIBs从翻新到再利用，最后到回收的有序分级管理策略，包含实验室阶段和企业示范案例。随后，我们还阐述了以回收为目标的电池智能管理体系的构建，以塑造电池可溯源和信息可视化的先进LIBs。最后，我们对目前的回收现状提出了改进方案，愿这些建议能在未来有助于实现废旧LIBs的可持续回收利用。
主要内容
1. 回收的必要性
从资源角度出发，LIBs中的关键元素如锂、钴、镍等在地壳上的分布原本就不均，持续开采更是加剧了对自然资源的不可逆损耗。而从废旧LIBs中提取出的珍贵的金属可以实现资源富集，提高资源综合利用率，从而减轻对进口上游原材料的依赖。从环境角度来说，有效的回收路线也会避免电池中有毒的电解液和重金属对环境的侵蚀和污染。经济方面，钴价格长期以来持续波动，镍价格于今年三月也突然拔高，碳酸锂价格自去年五月开始大涨，原材料的价格上涨都对LIBs的成本降低产生消极影响。若将回收的金属材料重新投入市场经济中，那么从开采、冶炼到运输和劳动力等方面的成本将大幅下降。资源缺口的填充也会使制造商和回收商有利可图。另外，世界多国也已开始重视对废旧LIBs的回收，陆续颁布了多项有关的法律法规。政策的扶持也将助力废旧LIBs的回收有序进行。
图1 (a) 锂、镍、钴资源在地壳中的地理分布 (b) 在可持续发展情境下预测的回收和再利用的LIBs在2030年和2040年对降低矿物供应需求的贡献 (c) 钴和镍近十年价格走势图 (d) Li2CO3近五年价格走势图, 插图为基于2020年对未来20年锂需求的预测。
2. 废旧LIBs回收现状
单块电池通常先被组装为电池模块，然后再被集成到电池包中。然而生产标准的空缺导致市面流通的LIBs在类型、外观、内部结构和组装工艺上存在很大差异，致使电池拆解的难度升级。人工处理模式更是耗时且存在一定安全隐患。从电池包里释出单块电池后，其内部包含的高价值金属资源主要面临着三种回收方式，即火法冶金、湿法冶金和直接回收方法，每种方法都存在各自的优势和劣势。
图2 回收废旧LIBs的三种主要技术手段：火法冶金工艺、湿法冶金工艺和直接回收工艺流程。
3. 退役锂离子电池的再利用
当动力电池的容量衰减到80%以下时，其能量则难以支持续航，需要及时更换。然而，退役并不等同于报废。退役的动力电池在通过剩余能量测试后，仍可应用于不同的场景，如大型储能基站、分布式光伏发电、家庭备用电源和低速交通工具等，即对LIBs实施梯次利用。由此，退役的LIBs中的剩余能量可以继续被消耗，提高能源综合利用率。另外，再利用的中间步骤也延长了它们的服务寿命，推迟了回收期限，这既是对节约能源和资源呼吁的积极回应，也缓解了LIBs回收市场日益增大的压力。
图3 (a) 废物分级管理示意图 (b) 退役LIBs梯度利用的情境图 (c) 基于2020年公用事业规模的LIBs需求能力和未来10年通过再利用途径对LIBs的年供应能力的预测 (d) 当前镍、铜、铝、钴、锂金属的回收率。
4. 以回收为定向的智能化预设计策略
废旧LIBs的处理看起来是一个终端问题，实则是对目前LIBs较不合理的设计初衷的一种提醒。由于市面流通的LIBs形形色色，对其进行再利用和回收遇到了很高的技术门槛。理想情况下，在电池领域推广高科技概念如数字孪生系统、人工智能（AI）、物联网（IoT）和机器学习（ML）等有望实现电池信息的高透明度、实时共享性和可溯源性，维持循环经济发展，也有助于早日实现废旧LIBs大规模的自动化拆解，提高安全操作水平。
图4数字孪生系统工作流程，有望实现对LIBs全生命周期高效管理。
总结和展望
随着LIBs的蓬勃发展，首批动力电池将陆续进入报废期。如何妥善应对大批退役LIBs浪潮成为了社会关注的焦点。全文概括了对废旧LIBs的闭环回收思路，即预设计-应用-翻新-再利用-回收的有序管理结构。在不远的将来，智能高科技技术将被整合到电池管理系统中，实现对末端电池设备遥调、遥控、遥信、遥测等操作。在LIBs完成第一阶段的服务后，回收机构将根据智能管理系统提供的有效信息对LIBs进行评估和检测重组，然后将其重新投放到再利用市场。待LIBs耗尽最后的能量，机器人将在智能系统的精确指示下对报废的LIBs进行自动筛选、分类和拆解。最后LIBs中所含的资源以新原料的形式重新融入循环经济中。相信通过共同努力，这一愿景的实现指日可待。
图5 对LIBs全生命周期管理的规划示意图。
作者简介
刘益春
中国科学院院士，东北师范大学教授，博士生导师。第十二、十三届全国人大代表，中国高教学会常务理事、高等教育管理研究会副会长，第四届全国教师教育课程资源专家委员会主任委员，第七届教育部科技委数理学部委员，国务院学位委员会第八届学科评议组成员，吉林省科协副主席。现任国际发光会议(ICL)程委会委员(2020大会主席)，国际II-VI族化合物材料会议顾委会委员，中国科学院长春光机所发光与应用国家重点实验室学术委员会委员，浙江大学硅材料国家重点实验室学术委员会委员，中国真空学会常务理事，InfoMat副主编。国家杰出青年科学基金获得者，中国科学院百人计划，教育部跨世纪优秀人才，全国模范教师。
吴兴隆
东北师范大学教授，博士生导师，教育部“长江学者奖励计划”青年学者、吉林省拔尖创新人才等。主要从事电池储能材料、废旧锂电回收与再利用等研究工作。在Sci. Bull., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Mater. Today和Energy Environ. Sci.等学术期刊发表通讯作者论文150多篇。21篇论文入选ESI热点/高被引论文，文章被他人引用超过1.4万次，H指数为61；已获授权发明专利17项；主持了国家自然科学基金委重大研究计划等研究课题十余项。曾获得教育部自然科学研究成果一等奖和中国科学院科技成果转化二等奖等。
王晓彤
2019年毕业于曲阜师范大学获理学学士学位。目前在吴兴隆教授的指导下攻读东北师范大学材料物理与化学专业的博士学位。研究方向为废旧锂离子电池材料的回收与再利用。
论文信息
X. Wang, Z. Gu, E. H. Ang, X. Zhao, X. Wu, Y. Liu. Prospects for managing end-of-life lithium-ion batteries: Present and future. Interdiscip. Mater. 2022:1(3). DOI: 10.1002/idm2.12041
