2019年10月下旬， 亚利桑那州斯科茨代尔的一家回收厂发生火灾。大火吞噬了占地40,000平方英尺的厂房，时速60英里的大风将巨大的烟柱吹过附近的高速公路，迫使当地官员封锁了道路。消防员直到第二天才能扑灭大火。事后，经营该厂的公司不得不暂停附近城市的收集业务；这个被烧毁的化合物原本每年可处理85,000吨废物，现在这些垃圾除了填埋场别无去处。
如此多的电池最终堆积如山，这对摆脱化石燃料的转型提出了一个更深层次的问题。它们的成分是电动汽车的关键组成部分，但它们所含的金属——锂、钴和镍——越来越难获得，而且通常只来自少数几个国家。为下一代电动汽车提供动力将需要从世界各地的盐滩和矿床中开采数千吨锂和钴，这一过程在生态破坏方面与成本一样高。
“我们应该尽量回收我们能回收的一切，但在电池方面，这变得更加重要了，”康奈尔大学工程学教授、研究锂等元素在能源系统生命周期的冯启（Fengqi You）说。冯启指出，我们国内的电动汽车产业依赖于在全球各地开采和精炼的锂，这使得我们在关键材料的生产上缺乏国内控制。如果全球供应链发生任何变故，我们将无法获得这些贵金属，从而延迟向绿色技术转型的努力。
好消息是，死去的可以重生。像在斯科茨代尔引发火灾的那块电池中的关键金属，都可以被提取出来并重新投入供应链。有了正确的基础设施，我们可以大大减少为新电池供应金属所需的采矿量——同时降低实际垃圾箱起火的风险。
随着电动汽车在美国的普及，一些初创公司正在努力实现这一目标。其中最先进的公司之一Ascend Elements，将于今年夏天在佐治亚州开设一家大型电池回收厂，在那里回收锂、钴和镍，其竞争对手也紧随其后。这些公司正竞相扩大规模，赶在第一代电动汽车报废之前。他们的努力有潜力实现闭环，创造一个不那么依赖化石燃料——以及不必要的采矿——的系统。
英裔美国 化学家M. Stanley Whittingham在20世纪70年代末勾勒出了可充电锂离子电池的第一个概念框架，并因此于2019年获得了诺贝尔奖。在接下来的十年里，从NASA到牛津大学的机构进一步发展了他的核心技术。但直到1991年，索尼开始使用这些电池来提高其摄像机的续航能力，这一概念才商业化。自那时以来，这些电池的能量密度几乎翻了三倍，而生产成本在此期间下降了97%以上，从1991年的约7,500美元降至2018年的不到200美元。
所有电池都通过储存化学能并将其转化为电能来工作。一个普通的电池包含两个端子上的不同导电金属：阳极（负极）和阴极（正极）。这两个组件由一种称为电解质的化学介质隔开。当你打开设备时，阳极中积聚的电子会流出电池，通过电路流向阴极，被其正电荷吸引。电子在电路中的移动产生了电流。
在普通的电池中，这个过程无法逆转。当足够的积聚电子离开阳极后，整个电池就报废了。另一方面，锂离子电池由于其名称元素——周期表中最轻、反应性最强的金属之一——而具有更长的寿命。在未充电状态下，许多锂原子停留在阴极。当你将设备插入电源时，这些活泼的锂原子会迅速释放它们的电子，电子通过外部电路移动，然后在阳极停止。关键优势在于，离开的电子会留下带正电荷的锂离子，这些锂离子会被电源的负电荷通过电解质吸引到阳极，并被困在那里。当你将设备与电源断开并打开它时，过程会逆转。天然不稳定的锂离子通过电解质移回阴极，而电子则与它们汇合，在移动过程中产生电能。电子和离子现在停留在阴极，直到下次电池充电。
这种金属阴极的结构是电池寿命的关键：它就像一个由镍和钴等金属组成的原子千层面，层非常薄，锂离子和电子被困在它们之间。然而，当离子在电池中来回移动时，它们会扭曲这种千层面，导致原子结构膨胀和开裂。每一次充电循环都会引起许多其他不可控的化学反应，随着时间的推移使电池退化，就像我们自己的身体在正常衰老过程中退化一样。通常情况下，你无法用肉眼看到这种衰减，但在几年内，动力电池的能量移动能力会越来越差。平均而言，锂离子电池在开始衰退之前可以使用数千次充电循环。（尽管如此，电池仍然会储存电荷，这就是它们在堆积时如此易燃的原因。）
电动汽车行业的快速发展导致对制造这一切的金属（包括锂）的需求激增。其结果是在中国、智利和澳大利亚等拥有大量锂矿藏的国家出现了采矿热潮。全球产量从2010年的每年31,000吨增加到2021年的110,000吨。但随着全球电动汽车市场每年增长约20%，需求增长速度远远超过任何生产商的应对能力。国际能源署预测，到2030年，年锂产量可能比需求低近200万吨。虽然至少有三到四个大陆有开采锂的潜力，但几乎所有的精炼厂和电池厂都在中国，这导致了经典的瓶颈。如果产能不增加，研究公司Rystad Energy表示，该材料的价格在本十年末可能会翻三倍。
需求飙升也带来了更高的环境成本。每年有数百亿加仑的水被用于从地下提取锂，这给智利等已经缺水的国家带来了资源压力。有几份报告称，在西藏、阿根廷和美国的锂矿附近发生了鱼类死亡以及淡水枯竭或污染事件。
所有这些因素都加强了回收的理由。在市场上销售的最初几十年里，锂离子电池的价值不够高，以至于没有人愿意费心将废弃的电池变成新材料，但仍有一些组织试图阻止它们进入垃圾填埋场——其中最著名的是Call2Recycle, Inc.。该公司由主要电池制造商在20世纪90年代成立并资助，希望减轻其产品带来的环境风险（和法律责任），此后已建立了一个收集计划，收集来自三个主要来源的废弃物：维修中心、市政废物处理设施以及在美国各地建立的一个拥有16,000个面向公众的回收箱网络。去年，它收集了超过800万磅的废弃电池。
该计划的运营总经理Eric Frederickson说：“当我们刚开始的时候，占主导地位的电池化学成分是镍镉，”他指的是一种常用于笨重但便携式电动工具的电池。“现在，锂离子是我们收集的电池中占比最大的化学成分。”
多年来，美国的锂回收能力非常低，以至于Call2Recycle不得不将回收物运往国外。但现在，市场上出现了一个新客户，它承诺将这些废弃物转化为全新的电动汽车动力电池的原材料。
ASCEND ELEMENTS的 研发设施位于马萨诸塞州伍斯特市郊区一个不起眼的办公园区。如果你在外面站着，你可能会认为里面所有人都整天在电脑上敲打键盘。现实情况有点混乱：前台办公室通向一个仓库，公司在那里对锂离子电池回收过程进行了精炼，并准备扩大规模。
Ascend的系统基于公司自己对一种名为湿法冶金的工艺的改进，该工艺涉及在化学溶液中溶解粉碎的金属，然后将其再次浸出成固体。这是一种比旧的、不太优雅的热法冶金技术有所改进的工艺，热法冶金需要熔炼电池并分离过热的组件——产生二噁英和呋喃等有毒气体。
在递给我一副安全眼镜后，Ascend的联合创始人兼首席技术官Eric Gratz向我展示了它的运作。在发电机持续的嗡嗡声中大声喊道，他把我领进一个高耸的空间，里面有十几个相互连接的罐子和机器。三个钢制储罐高耸在我们头顶，一对看起来像手风琴的10英尺长的装置，以及一套连接着管道和软管的几个小储罐。
Gratz说，所有这些机械设备加在一起，就像一个巨大的法压咖啡壶。Ascend从Call2Recycle等收集商或电动汽车制造商那里购买报废电池，然后用一个细齿的粉碎机将它们粉碎。残余物以深色粉末的形式到达伍斯特工厂——行业术语称为“黑粉”——在这种化学混合物中取代了咖啡豆。目标是使废弃的金属液化，去除塑料和不需要的金属等杂质，改变其化学结构，然后将其浓缩成粉末，以便用于新的制造。
首先，Gratz带我参观了三个储罐，后面是一个装有粉碎电池的料斗。第一步是将黑粉泵入储罐，在其中用专有的化学混合物溶解，松动其中的锂、镍和钴的原子结构。这部分并不难。诀窍在于将其重新变成粉末。
Ascend希望生产用于新阴极（电池的正极）的材料，因为这是最难获得的。但由于粉碎后的电池含有多种不同的金属，其中一些没有用，Ascend必须先分离出任何不需要的金属。在实验室技术人员忙碌地穿梭往返时，我们小心翼翼地来到那些类似手风琴的机器。这些机器将黑粉浆液通过一系列过滤板，以滤出不相关的固体——这相当于在法压壶中向下压滤渣。石墨和铜的碎片粘附在过滤器上，留下了黑色和黄绿色的污渍；Ascend稍后会将这些包装出售给传统回收商。
下一步是将剩余的混合物分离成两个关键组成部分：锂以及镍、钴和锰的混合物。Ascend执行此操作的确切方法是专有的——这是将其与竞争对手区分开来的部分原因——但Gratz承认它利用了锂独特的化学性质。虽然大多数金属在加热时更容易溶解，但锂在较高温度下溶解度较低。这意味着团队可以通过加热混合物来分离出至关重要的金属。由此产生的颗粒看起来很像我们普通调味罐里的盐。
然后，他们将黑粉沉淀成粉末，这是另一个专有过程，在这个过程中，机器看起来像是老一代的《星球大战》机器人——大而方方的梯形，顶部有一些小装置。Ascend团队可以根据买家的规格调整每批镍和钴的浓度：例如，镍含量较高的电池保质期较短，但能量容量更高，这使其成为需要行驶数百英里车辆的理想选择。一旦混合器将粉末与提取的锂重新组合，最终产品就与送入时的产品完全一样，Gratz递给我的前后对比的罐子就是证明。但回收粉末的分子结构得到了更新，可以再次储存高活性的锂离子。
该过程效率惊人：Ascend回收了98%最昂贵的金属——镍和钴。Gratz说，锂的回收率约为80%。离开工厂的黑粉简直就能立即投入使用。电池制造商通常将这种物质喷涂在箔片上，然后卷起或折叠成新的电池单元。
尽管 Ascend在伍斯特的工厂可能看起来很复杂，但它只是一个原型，一个占地154,000平方英尺的电池回收厂，该厂定于2022年夏天在亚特兰大附近开业。该工厂将位于美国东南部电动汽车热潮的交汇处。大众汽车将在田纳西州查塔努加工厂启动电动汽车部门，福特正在建设组装厂和多家电池厂，包括在肯塔基州和田纳西州。Ascend的工厂还需要几个月才能投入运营，但SK Battery America等制造商，他们为福特和大众等大品牌提供动力，已经开始运送工厂生产的废料。这些废料堆积如山，正等待着上路。
一旦投入运营，Ascend佐治亚工厂每年将能够处理33,000吨报废电池和其他废物，生产出足够回收的金属来驱动多达70,000辆电动汽车。市场营销副总裁Roger Lin解释说，汽车制造商可以签订一份简单的单向合同来购买来自报废电动汽车电池的再生材料，或者他们可以进行双向交易，提供自己工厂的过剩废料，并以更新的形式收回。Ascend还可以从汽车制造商那里获取报废电池，然后为任何想要的人创造新材料。
Ascend首席执行官Mike O’Kronley有信心，他的工厂将依赖的老年电动汽车电池不会像许多被遗忘在抽屉里的手机一样被遗弃。“一个电动汽车电池相当于一千部手机电池，”他说。“收集和运输到回收中心要容易得多。”他认为，汽车粉碎机和废品回收站有动力将它们卖给像Ascend这样的公司。
尽管Ascend可能在客户方面拥有先发优势，但它确实面临着强劲的竞争：Li-Cycle，一家加拿大回收公司，正在纽约州罗切斯特附近建造一家工厂；以及Redwood Materials，一家由特斯拉前首席技术官创立的公司。两家公司都在扩大自己的系统，使用与Ascend相似的湿法冶金工艺。
目前，已经报废的电动汽车数量不足以供应满足回收金属需求所需的电池数量。“如果我们回收世界上所有的电池，回收最多也只能提供需求量的20%到30%，”Ascend首席技术官Gratz说。只要道路上电动汽车的总数继续增加，我们就需要继续开采大量的锂、钴和镍。
然而，Ascend押注于大多数人最终会驾驶电动汽车，并将旧车换成新车型。“然后，”Gratz说，“我们可以一遍又一遍地回收相同的镍、钴和锂原子。”
这个故事最初刊登在《大众科学》2022年夏季金属特刊上，是关于电池的三部分系列文章中的第三篇。阅读第一部分和第二部分或更多PopSci+的故事。
