回收電池材料比新挖的還好用？研究成果已商業落地，論文一作均為華人

萬博 2022-03-28 13:06:05 來源：量子位

萬博 發自 副駕寺

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動力電池回收賽道，這項新研究進展，非常值得關注：

回收廢舊電池提取的陰極原材料，比新挖的材料應用效果還要好。

不僅充電速度快，循環壽命還吊打原礦材料鋰電池。

而且這項研究成果，目前已經成功投入商用。

對于正在遭受電池原材料供應不穩，價格飛漲的新能源汽車行業來說，這無疑是一劑強心針。

回收材料比新挖的還好用？

研究成果，出自伍斯特理工學院材料科學教授王巖和美國先進電池聯盟（USABC）學術團隊，發表在著名學術期刊《焦耳雜志》上。

該學術團隊，通過對NMC111鋰電池陰極錳、鈷、鎳元素的回收、加工和再生產，發現用回收材料制造的鋰電池，在循環壽命和充電速度方面，有更大的優勢。

取得巨大突破的關鍵，在于王巖團隊回收利用廢舊鋰電池的過程，與當下的主流路線有所區別。

目前主流的電池回收拆解方式，簡單粗暴的“一鍋燴”，直接拆解粉碎整個電池，包括電子電路、外殼等部分，然后全部溶解在酸中，最后在一堆成分復雜的混合物中，提取出鎳、鈷、錳化合物，之后加入新的陰極元素。

而王巖團隊對廢舊電池的回收處理，則是精細化作業，首先對電池粉碎處理后，再通過物理方法，單獨回收電池內部的電子電路和外殼部分。剩余的電池正負極材料混合粉末，正極材料通過酸溶液進行溶解提取，去除雜質；負極材料，則以沉淀的形式進行收集。

之后再對正極材料加入適當比例的鎳、鈷、錳，讓3種元素的比例達到均衡，最后經過加工處理，產出陰極材料化合物顆粒，完成一次廢舊電池陰極材料的生命輪回。

就在這個過程中，王巖團隊有了一個極有價值的發現：

通過他們的回收再利用過程，生產出的陰極材料顆粒，表面具有更多孔隙，同時顆粒中心，還有一個較大的孔隙。

這就意味著陰極晶體為鋰離子提供了更大空間，當鋰離子在進入其中的時候，陰極晶體可以微度膨脹，從而讓回收再造的陰極晶體，相比新元素制造的陰極晶體更加牢固。

最后的結果就是，電池的使用壽命更持久。

同時，更多的孔隙也意味著更大的表面積，可以讓鋰電池在充電過程中，鋰離子發生更快的化學反應，從而加快鋰離子電池的充電速度。

為了驗證理論在現實中的可行性，王巖團隊用回收材料制作了與電動車能量密度相同的1A·h-11A·h的鋰電池，并進行了大規模的工業驗證。

驗證發現，使用回收材料制作的1A·h鋰電池，在80%和70%的容量保持率下，可實現4200次和11600次循環壽命，比最先進的商業化鋰離子電池提升33%和53%。

同時在充電速率方面，也較新礦材料制作的鋰電池，有不少的提升。

產業落地如何？

目前，該研究成果，已經開啟商業化落地，背后推動這一進程的，正是王巖參與創辦的電池回收初創公司升騰元素（Ascend Elements）。

據了解，升騰元素目前已經在小范圍內，向電池制造商提供回收陰極材料，并同電池巨頭韓國SK，簽署電池原材料回收協議。

今年，升騰元素將在美國建造其第一座電池回收工廠，同時計劃今年年底，在歐洲同時落地兩座電池回收工廠。

事實上，在電動車風頭正盛的今天，看上廢舊電池回收這門生意的，不止王巖教授和他的升騰元素。

這其中最具代表性的，是前特斯拉CTO施特勞貝爾（JB Straubel），和他所創辦的紅木材料（Redwood Materials）。

但相比于升騰元素，紅木材料的商業模式更加簡單粗暴：

上接主機廠回收電池，下聯電池廠提供原材料，自己在中間，做電池原材料回收和提取，典型的B2B生意。

不過，紅木材料的技術優勢，在于原材料的提取能力上，據官方數據披露，紅木材料的回收技術能夠回收利用廢舊電池中95%的的鎳、鈷、鋁和石墨，以及超過80%的鋰。

站在行業上來看，屬于頭部水平。

目光拉近，看向國內，電池回收生意的熱度，最近幾年只增不減。

到底有多熱？用2組學界和業界的數據感受一下：

國家知識產權局數據顯示，最近20年，我國與電池回收相關專利共有1458件，其中2017年以來申請的相關專利有1146件，占比近8成。

業界來看，根據工信部公布的47家《新能源汽車廢舊動力蓄電池綜合利用行業規范條件》白名單企業中，有42家是最近兩年拿到行業準入資格的。

同時，整個行業還還呈現出另一大特點：巨頭入場，跑馬圈地。

目前，寧德時代、格林美、比亞迪等電池制造商，以及北汽等主機廠，都已經陸陸續續跑步布局相關賽道，或親自下場開發技術，或尋找優質標的真金白銀大舉投入。

國外國內，隨著電動車行業的風口，過去和“撿破爛”劃等號的電池回收生意，如今開始走向資本和產業的廟堂。

但熱度之下，問題也依舊存在。

比如動力電池梯次利用規范不明，再比如正規軍干不過黑作坊這類劣幣驅除良幣現象……總的來說，難題并不集中在技術上，而是在行業規范和標準的明確上。

但隨著動力電池退役高峰的來臨，以及電池原材料長期高居不下的現狀，這座移動的礦產蛋糕，只會越做越大，成熟的商業化模式，也會呼之欲出。

論文作者介紹

論文一作馬曉途，伍斯特理工學院機械工程系博士后，研究領域包括電池材料、新能源。

本科畢業于吉林大學，專業是化學；2015年進入美國史蒂文斯理工學院，主修材料工程與科學，并于2017年取得碩士學位；同年進入伍斯特理工學院，2021年9月獲得材料工程與科學博士學位。

共同一作陳夢圓，伍斯特理工學院材料工程與科學在讀博士，主要研究鋰離子電池，以及電池回收。

本科畢業于中國科學技術大學，2013年考入紐約州立大學石溪分校，并在2015年取得碩士學位；隔年考入伍斯特理工學，同時加入王巖教授課題組。

共同一作鄭長峰，升騰元素公司高級電池材料工程師。

本科畢業于天津大學，主修電氣化學；2008年考入在新加坡國立大學，主修生物分子工程，并于2011年取得碩士學位；同年進入伍斯特理工學院，主修材料工程與科學，2015年取得博士學位。2017年加入Ascend Elements公司。

通訊作者王巖，伍斯特理工學院機械與材料工程教授，同時也是學術團隊負責人，Ascend Elements公司聯合創始人。

本科和碩士研究生都在天津大學度過，2009年在加拿大溫莎大學取得博士學位后，隔年進入麻省理工成為博士后。

話說回來，最近電動車行業的漲價潮，不也是因為電池原材料供應不穩定，價格飆升引起的？

這個時間點，這項研究成果的價值表露無疑：

如果真的能大規模商業化的話，這么大一個電池優質原材料「移動礦」，說不定有希望解決電池原材料困局，你說呢？

論文地址：

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(21)00433-5