鋰離子電池回收的日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)應(yīng)在設(shè)計(jì)階段解決。迄今為止，制造商已將更多的精力放在安全性，功率密度和可循環(huán)性上。
來(lái)自萊斯特、紐卡斯?fàn)柡筒骱泊髮W(xué)的鋰離子電池回收研究人員、法拉第機(jī)構(gòu)、ReCell中心和Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行了檢驗(yàn)，并在《鋰離子電池回收設(shè)計(jì)的重要性》一文中發(fā)表了他們的發(fā)現(xiàn)，這是一篇發(fā)表在《綠色化學(xué)》上的評(píng)論。
要使任何材料都具有循環(huán)經(jīng)濟(jì)性，重要的是，要減少組件數(shù)量，與初級(jí)過(guò)程(原料提取)相比，次級(jí)過(guò)程(回收)的成本要低，簡(jiǎn)單的純化流程，有價(jià)值的組件以及收集和回收隔離機(jī)制。如果材料不被回收利用，當(dāng)材料對(duì)環(huán)境產(chǎn)生重大影響時(shí)，這也將有所幫助，因?yàn)檫@往往要求其進(jìn)行回收。
鉛酸電池滿足了這些設(shè)計(jì)要求，這解釋了日本，美國(guó)和歐洲大部分地區(qū)的回收率接近100%，回收利用機(jī)制可回收電池總質(zhì)量的98%以上。
鋰離子電池中陰極和集電器的相似密度值使類似方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)。因此，鋰離子設(shè)備需要諸如氧化還原反應(yīng)，溶解度之類的方法，或者利用靜電和磁性能來(lái)分離組成電池的材料。
缺乏標(biāo)簽是有效回收制度的另一個(gè)重大障礙。與鉛酸電池不同，鋰器件具有多種化學(xué)和結(jié)構(gòu)，例如NCA，NMC，LMO，LCO和LFP電池，所有這些都可以結(jié)合到不同的化學(xué)中。電池也可以以袋狀，棱柱形或圓柱狀的形式出現(xiàn)，然后再焊接到模塊中并組合成組。
英美研究小組表示，電池標(biāo)簽沒(méi)有全球標(biāo)準(zhǔn)，需要向回收商清楚地表明設(shè)備的成分。結(jié)果，濕法冶金–涉及粉碎和酸處理;酸法之前的高能耗冶煉和火法冶金已成為鋰離子電池回收中的常識(shí)。濕法冶金需要預(yù)處理，排放和正確拆卸，而不是“粉碎”。
電池組中電池和模塊的排列方式有所不同(有時(shí)在單個(gè)EV制造商車隊(duì)中)，這給回收商帶來(lái)了另一個(gè)障礙。鋰離子設(shè)備的組織結(jié)構(gòu)以最大化的安全性和電池壽命為代價(jià)，但以可回收性為代價(jià)。
電池?cái)?shù)量越高，活性和有價(jià)值的材料在電池重量中所占的比例就越低。增加的細(xì)胞數(shù)也使打開(kāi)和分離步驟復(fù)雜化，這增加了回收成本。具有85 kWh電池組的Tesla Model S電動(dòng)汽車(EV)包含16個(gè)模塊，每個(gè)模塊包含444個(gè)電池單元，每輛汽車中有7104個(gè)圓柱電池單元。
《綠色化學(xué)》論文的作者寫道：“當(dāng)拆除速度緩慢且成本高昂時(shí)，唯一的回收方法將成為火法冶金，這既昂貴又效率低下。因此，回收處于'捕獲22'情況，電池和電池組設(shè)計(jì)控制著回收策略。”
手動(dòng)拆卸包裝和模塊以提取單個(gè)細(xì)胞是回收純凈材料的首選方法，但比粉碎要花費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間。電池和電池組設(shè)計(jì)的無(wú)數(shù)組合加劇了這種延遲，這使得自動(dòng)拆卸幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)。
研究人員表示電池還可能具有堅(jiān)固的母線，而不是目前連接模塊的柔性電纜。這樣的結(jié)構(gòu)可以看到單元直接連接到母線，而無(wú)需模塊，并且機(jī)器人可以更容易地將單元從母線分離。通過(guò)添加斷點(diǎn)或其他打開(kāi)機(jī)制，可以更輕松地訪問(wèn)和分離單元組件。
研究人員表示不切碎地分離電極材料可以將回收成本降低到比采購(gòu)原始材料便宜多達(dá)70%。英美集團(tuán)表示，全面的標(biāo)簽，簡(jiǎn)化的整體結(jié)構(gòu)，易于打開(kāi)的設(shè)計(jì)以及可逆的膠粘劑和粘合劑將解決大部分鋰離子電池回收問(wèn)題。
學(xué)者們還提出了如何制定此類法規(guī)的建議，暗示制造商的責(zé)任范圍擴(kuò)大以及回收?qǐng)?bào)廢產(chǎn)品的義務(wù)將促使工程師采用“回收設(shè)計(jì)”方法。
