用于 LiB 废弃物的简化的湿法冶金先进回收工艺 (SHARP)

Coherent 高意高级技术总监加扎拉·纳扎里博士

不断增长的机会

在未来几年内，LiB 预计将在多种应用中实现极大增长，特别是在电动汽车 (EV) 领域。在 2021 年，全球 LiB 制造产能约为 700 GWh，到 2025 年，预计产能将增长三倍以上。随着越来越多的汽车公司发布停止生产汽油动力车型的路线图，到 2035 年，超过一半的新型载客车辆将是电动汽车。在快速的技术创新、不断增多的环境和能源问题、有利的政府政策以及可再生能源行业不断增长的需求推动下，这种大规模转变正在加速。按照这个速度，在不久的将来，对 LiB 的需求可能会轻松超过电池级组件的供应。近在 2019 年，这些关键部件的需求开始超过当前的供应，即使预计会有额外的产量，预计这一缺口在未来几年也会呈指数级增长。

为了维持电动汽车市场的增长，保证原材料来源充足至关重要。大多数主要政府都公布了温室气体排放目标，其中包括将转向电动汽车作为更广泛能源政策的关键组成部分。

这包括需要确保获得原材料和精炼材料、刺激国内 LiB 制造行业以及实现 LiB 的重复利用和回收利用。随着电池应用领域的所有新的和预计的发展，回收利用报废 (EOL) LiB 变得越来越重要。虽然 LiB 有可能进行翻新和重复利用以用于二次应用，但 LiB 最终需要报废。目前可回收的电池主要来自消费电子产品，它们分布广泛，收集难。随着电动汽车市场对 LiB 的需求即将激增，回收将变得更加容易，因为 LiB 更大，因此更容易收集。这些电池的最早一代仍在使用中，因为电动汽车电池通常会在 10-12 年内达到报废 (EOL) 状态。预计未来几年报废 (EOL) 电池的处理量将会增加。

生产废料是回收材料的另一个重要来源，如图 1 所示。最佳生产商的 LiB 生产废品率约为 5%，一般生产商为 10%，在启动阶段高达 30% 或更高。考虑到电动汽车的快速增长，预计会有大量的电池材料被废弃。这产生了回收的巨大需求。在 2020 年至 2030 年间，生产 LiB 产生的废弃物预计将超过 1500 万吨。

关键有价金属及其管理

LiB 的阴极含有活性材料，该活性材料由锂、钴、镍和锰的混合金属氧化物组成，其浓度取决于类型。最近对这些有价金属主要来源供应链的评估揭示了一系列风险，包括与其地理集中度相关的政治、安全和商业风险。就锂而言，全球约一半的矿石供应来自澳大利亚，并出口到中国进行精炼和国内使用。拉丁美洲是锂的另一个主要供应地区，该地区面临着向价值链上游提升和在困难重重的政治气候下运营的压力。

所有这些因素都导致锂价格急剧上涨，从 2020 年中期每公斤 6.2 美元上涨到 2022 年底每公斤 82 美元。

虽然电池生产并不是全球镍消耗的主要驱动力，因为镍只占需求的 5%，但由于市场的快速增长，镍被视为近期的关键金属。此外，镍的来源分布在一些会给电池生产商带来法律和监管风险的国家/地区中。

钴是当前电动汽车电池设计中最贵的金属，因为它可能会破坏供应链，所以被评估为高风险矿物。这主要是因为全球一半以上的钴供应是在刚果民主共和国开采的，该国对劳工和侵犯人权问题的担忧日益增加。由于对钴供应的迫切需求，研究人员开始研究替代来源，例如海底的富钴结核，但这些来源也带来了一系列环境和成本挑战。

对低钴或无钴电池设计的研究和实验旨在实现在不影响性能的情况下减少对钴的依赖。大多数解决方案要么依赖于高镍 NMC 化学物质，这将进一步增加镍的需求，因而提高镍的价格；要么依赖于使用比容量较低的磷酸铁锂 (LFP)，这样仍会严重依赖于锂。

转向电动汽车是许多国家/地区遏制化石燃料使用和应对气候变化的环境政策的主要组成部分。然而，电动汽车的生命周期分析表明，原材料开采、加工和储存以及报废 LiB 的处置对环境产生重大影响。显著减少电动汽车对整体环境影响的关键是回收报废的 LiB。LiB 中金属的浓度通常超过矿石中的金属浓度，这使得它们相对更容易回收。这大大节省了自然资源，降低了加工过程中的能源消耗，并消除了处理有毒废弃物的需要。

湿法冶金工艺突破了火法冶金工艺的桎梏，但也存在自己的挑战。大多数湿法冶金工艺都涉及溶剂萃取，该工艺需要多个萃取、洗涤和汽提阶段，并且设备复杂、占地面积大，因此资本支出较高。此外，这些工艺会消耗大量的试剂、燃料和电力，并产生大量的工艺废水。迄今为止，还没有商业化的湿法冶金工艺可用于回收 LiB 废弃物。

通过实施高效的湿法冶金工艺，黑色物质中有价金属的回收率可达到 95% 以上。结合机械分离工艺，可以回收电池 80% 以上的成分。

30 年冶金精炼和回收领域的专业知识

Coherent 是稀有金属精炼领域的全球领导者，在环境健康和安全 (EHS) 以及卓越质量方面拥有卓越的业绩记录，这是其使世界变得更安全、更紧密、更健康、更高效的使命的一部分。Coherent 在萃取冶金领域拥有 30 多年的丰富专业知识，拥有能力强且经验丰富的工程师和化学家，他们是各种新产品和工艺开发的中坚力量。其中一项创新是开发一种简化的湿法冶金先进回收工艺 (SHARP) 技术，可以高效地从来自 LiB 的黑色物质中回收关键金属。这项技术的影响如下：

1. 质量：原料灵活性；关键金属回收率 >95%；生产适用于 LiB 生产的阴极前驱体和阴极材料。该工艺可以直接从各种类型的 LiB 废弃物中生产阴极前驱体，无需对关键金属进行广泛的分离和净化，这是回收过程中最复杂、对操作最敏感且资本密集的部分。
2. 环境：零液体排放；不产生固体、气体或液体有毒废物；并且产生有价值的副产品。除了上述优点之外，还有能源和水消耗量低的优点，因此这项技术十分环保。
3. 成本：在此工艺中，若干金属分离步骤要么绕了过去，要么以比传统工艺小得多的规模使用，因此与传统湿法冶金工艺相比，资本成本降低了约 60%，且不会降低产品质量。除了简化工艺流程外，我们工艺的一个非常有益的功能是能够再生在处理过程中使用的一些试剂。与传统的湿法冶金工艺相比，这可以改善试剂消耗量，降低约 30% 的试剂和公用事业成本，减少产生的杂质和废弃物，并提高金属回收率。这些特点提高了项目的经济效益，简化了回收过程，降低了扩大规模的风险，并最终加速了该技术的商业化。

我们的技术已被证实在技术上是可行的，可以在实验室规模上有效回收关键金属并生产电池级材料。该技术正在扩大规模，以证明其在更大的连续配置中的稳健性、可以做出合格的产品并确定其经济可行性。已实施分阶段扩大规模，以降低风险并确保准确的商业工厂规模、快速扩大产能和生产出高品质的产品。

图 3 突出显示了所提出的技术相对于上述现有技术的优点。与火法冶金工艺不同，既回收了锂，又不会产生有毒气体。与常见的湿法冶金工艺不同，大部分原料绕过分离和净化步骤，进入成本较低且简化的回收工艺。 

电池回收的经济学

Coherent 创建了成本模型来验证其电池回收工艺的经济性。考虑到 2022 年的平均商品价格，包括试剂、劳动力和一般费用在内的回收成本估计在原材料成本的 10%-20% 之间，具体取决于回收机构的位置和 LiB 废弃物的类型。

随着全球电池市场的增长，美国、韩国、加拿大、德国、挪威和瑞典等不同位置的电池回收机会也随之增加。为了支持这项活动，各国政府已启动计划，拨款推动回收工艺的研究、开发和商业化。

目前，电动汽车的价格与入门级豪华汽车的价格相似，主要由电池中活性材料的成本驱动。在国内回收 LiB 有可能降低全球材料运输成本，降低生产成本，并使电动汽车实现规模经济。

转向电动汽车是世界各地环境政策的主要驱动力，旨在限制化石燃料的使用和应对气候变化。然而，电动汽车不能被视为真正的“绿色”，因为它们对环境产生了一些负面影响，包括电池生命周期问题，例如原材料开采以及 LiB 废弃物的储存和处置。显著减少这些影响的关键是高效的锂电池废物回收。这些额外的好处包括保护自然资源和降低加工过程中的能源消耗。此外，在国内回收 LiB 有可能解决供应链问题，包括来自世界遥远地区的运输成本。Coherent 的 SHARP 技术为降低电池生产成本提供了一条切实可行的途径，同时使电池和电动汽车制造商能够实现规模经济，并对环境产生积极影响。

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