電動車普及後大難題：全球回收鏈未成形，數百萬噸退役鋰電池點處理？

　　電動車邁向普及，幾乎是不可逆轉的全球大趨勢，但背後卻衍生出一個令人頭痛的問題：日後如何處理大量報廢的車用鋰電池？預計到2040年，全球將有780萬噸鋰電池要退役，加上近期鋰、鎳、鈷等金屬原料不斷漲價，各國政府與企業已開始著手建立鋰電池回收鏈，務求讓電動車變成真正潔淨的綠色交通工具。可是，鋰電池的回收工序卻遠比一般電池複雜，如要大規模進行回收，更有不少技術難題有待克服。

 

鋰電池構造複雜較難回收

 

　　理論上，電動車鋰電池壽命可以有8至10年，惟實際使用4至6年左右，電池容量便會衰減到80%或以下，不再適用於驅動電動車。估計到2025年左右，數以百萬計的電動車電池將步入退役之齡。有業者預估，到2030年全球會有500萬噸的廢舊鋰電池。國際能源署（IEA）更預測，及至2040年，每年會有逾780萬噸鋰電池需要報廢。

 

　　除海量廢電池即將湧現外，歐盟新法規也迫使業者不得不面對電池回收的問題。2020年12月，歐盟執委會針對電動車頒布新的電池監管規定，提高對電池回收材料比率的要求。根據新規定，到2030年鋰電池內的鈷至少要有12%來自回收材料，鋰與鎳則分別要有4％。由是之故，鋰電池回收現已成為全球電動車業界的關鍵課題。

 

　　然而，比起傳統電池（如鉛酸電池），鋰電池回收卻困難得多。在傳統電池回收工廠中，電池會被直接輾碎成粉狀顆粒，跟著以火燒或酸液分解，再從中提煉有價值的金屬物質。但鋰電池因構造較傳統電池複雜，所以回收處理流程也要繁複許多。

 

　　鋰電池由很多不同零件組成，其陰極材料包含多種重金屬元素如鋰、鎳、鈷、錳等，電解液中又含有六氟磷酸鋰等高毒性物質；一旦處理不當而出現洩漏，勢必造成嚴重的生態破壞。此外，鋰電池要先經過放電、拆卸外殼和分離電極等步驟，才可重新冶煉；如果拆卸過程中操作不當，也會導致燃爆、觸電與腐蝕等安全問題。因此，回收鋰電池必須建立另一套處理機制。

 

現時報廢鋰電池的拆卸主要靠人手完成，如要降低回收成本，就需要改變人手拆卸這種低效率的方法。（圖片來源：翻攝福士汽車官方YouTube影片）

廢舊鋰電池被拆卸後，取出內裏的電芯，放入輾碎機中被粉碎成粉狀顆粒，之後便可施以濕法或火法冶煉。（圖片來源：翻攝福士汽車官方YouTube影片）

 

梯次利用：重組舊電池再用

 

　　現時鋰電池回收處理主要有兩種方式：「梯次利用」與「再生利用」。所謂「梯次利用」，意指把老化的車用鋰電池運用到其他途徑，重新服役。鋰電池容量降低至80%後，就不再適用於動力需求較強的電動車，惟卻可應用於風力發電站的儲能系統、或通訊基站的後備電源等。

 

　　但不是隨便把不同車廠的舊電池組合起來就能好好使用。電動車鋰電池是按照不同車廠的特定車型來度身訂造，故此電池結構與規格存在很大差異。就算是同一車廠、同一車型、同一批次的鋰電池，報廢時的剩餘電容量、電壓與內阻也未必完全一樣。若然將差異太大的電池聚合在一起，可能會損害電池壽命。

 

　　廠商回收鋰電池後，必須先進行檢測，再根據電池規格與剩餘容量進行分類，然後才可重新組裝成電池模組作其他用途。因此，制定標準化處理措施，鼓勵回收端把相近狀況的電池分類，便成為梯次利用大規模商業化的先決條件。

 

　　電動車常用的鋰電池可分為磷酸鐵鋰電池與三元鋰電池。前者的主要成分是鋰、鋁、鐵等平價金屬，分解回收的經濟價值較低，但其電池抗衰減程度卻較佳，故適合應用在「梯次利用」。後者的主要成分為鎳、鈷、錳等貴價金屬，回收價值較高，更適合直接「再生利用」。

 

再生利用：分解電池再提煉

 

　　所謂「再生利用」，意指對報廢鋰電池進行放電、拆卸、分解、冶煉，從中回收鋰、鈷、鎳、錳等有價金屬，之後再利用這些金屬材料來製造新電池。電池分解回收技術現有兩大方案：「濕法冶金」（Hydrometallurgy）與「火法冶金」（Pyrometallurgy）。

 

　　「濕法冶金」是把從鋰電池拆下來的電芯溶於酸鹼溶液，再從溶液中萃取鋰、鈷、鎳、錳等。此法成本較低，回收率較高，所以是最主流的回收技術方案。酸鹼溶液在使用後必需作中和處理，但卻有不少回收商未有妥善這些廢水，就排放到河道，造成水土污染，引發環保爭議。

 

　　「火法冶金」會將電池電芯跟石灰石、焦炭混合在一起燃燒。在高溫之下，鋰會變成氣態的氧化鋰，鈷和銅會產生合金，鋁則氧化成爐渣；接著把這些各自分離成氣態或固態的金屬加以分解後，便能再造成鋰電池原料。

 

　　相較之下，火法冶煉的分解速度比濕法為快，能夠一次過處理更大量，且成分不同的舊電池。但是其設備投資成本卻較高，過程中又容易產生有害氣體，處理不好同樣會損害自然環境。

 

被粉碎成顆粒的電芯，經過分解提煉後，便可從中回收鋁、銅、鈷、鋰、鎳、錳等有價金屬。（圖片來源：翻攝福士汽車官方YouTube影片）

濕法冶金是將鋰電池電芯放入酸性或鹼性的水溶液中，進行化學處理，從而分離雜質，提取當中的金屬物質。（圖片來源：Hydrometallurgy Section官網）

火法冶金藉由燃料或電能產生高熱，再把鋰電池電芯跟石灰石、焦炭混合燃燒，在高溫下從電芯中提取金屬材料。（圖片來源：Metallurgy for Dummies網誌）

 

Redwood：濕法火法雙重治煉

 

　　無論是濕法，或火法冶金，都各存有本身的弊端，於是有初創公司積極研究新的冶煉技術，希望能取而代之。特斯拉（Tesla）共同創辦人JB Straubel離開舊東家後，於2017年成立的電池回收初創企業Redwood Materials，構想出結合濕法與火法的雙重治煉方案，以提升回收效率。

 

　　回收電池後，Redwood不會進行放電，而是用其殘餘電量連結轉化器產生高溫，跟著以火法把金屬分離成不同形態，然後再用濕法提煉金屬，宣稱能成功回收電池中95%至98%的鎳、鈷、鋁、石墨，以及80%以上的鋰。

 

　　Redwood現正跟特斯拉合作，處理其超級工廠的廢棄材料與缺陷電池，平均每年能夠處理2萬噸材料。目前大部分回收材料都會賣給松下（Panasonic），用作製造新的Tesla電動車電池。另外，該公司於2021年9月開始跟福特汽車（Ford）合作回收鋰電池，目標是到2025年產出的回收材料，足以製造100萬輛電動車所需的鋰電池。

 

Redwood Materials於2021年7月已完成7億美元（約54.6億港元）的融資，用於擴建美國內華達州的回收電池廠房。（圖片來源：Redwood Materials官網）

 

OnTo Tech：再鋰化激活電池

 

　　近年鋰電池的性能不斷改進，其化學結構也隨之而持續改變。以Panasonic為Tesla生產的鋰電池為例，鈷含量在 2012年至2018年間就大減60%。因為電池化學成分經常轉變，所以回收處理流程亦要不斷作出相應調整，使到回收商的營運成本也增加了。

 

　　有鑑於此，電池回收方案商OnTo Technology決定另辟蹊徑，不再回收電池的金屬元素，改為針對「再鋰化」（re-lithiation）進行技術研究。該公司創辦人Steve Sloop把電池比喻為一楝大廈，拆卸重建的費用會很高，惟翻新大廈的成本卻可以很低。

 

　　OnTo Technology研究團隊嘗試以水熱法和高溫鍛燒處理，以修復鋰電池的陰極材料，讓它回復到初始狀態，再用於製造新電池。該公司宣稱，再鋰化過程中消耗的能源比一般冶煉為少，回收效率也較高，能夠有效降低電池回收的成本與碳排放。

 

OnTo Technology現正進行再鋰化技術研發，試圖將鋰電池的陰極材料回復到初始狀態，讓老化鋰電池能夠被激活再用。（圖片來源：OnTo Technology官網）

 

細菌回收廢電池金屬物質

 

　　最近，學術界對電池分解回收的研究更有新突破。英國高雲地利大學（Coventry University）研發出一項「生物濾化」技術，能利用細菌分解電池，從中萃取有價值的金屬。這種細菌只需在攝氏36度的培養箱中生長，很容易大量繁殖。

 

　　相比起濕法、火法冶金，生物濾化既不用涉及有毒化學品，又毋須消耗大量能源，可說是更環保的替代方案。惟此技術仍處於試驗階段，要走出實驗室，作商業化應用，似乎仍有一大段路要走。

 

　　市調機構Statista估計，及至2030年，鋰電池回收的市場規模將達到180億美元（約1,400億港元），遠高於2019年的15億美元（約117億港元）。另一調查機構IDTechEx更推估，2040年全球鋰電池回收市場產值上看310億美元（約2,420億港元）。

 

　　由此視之，建立鋰電池回收鏈，不僅能應對歐盟對車用鋰電池的監管，還能搶捕潛力甚大的回收商機。相信未來會有更多公司加入戰團，嘗到研發更高效率的分解回收技術，讓電動車變成真正環保的交通工具。

 

其實，生物濾化技術早已被應用在清理和回收電子廢物中的材料。如今高雲地利大學研究團隊發現，電動車鋰電池中的金屬材料也可透過細菌分解進行回收。（圖片來源：Pixabay）

 

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