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随着越来越多的美国人拥抱电动汽车，汽车制造商和联邦政府正在竞相确保制造电动汽车电池所需的材料，包括投入数十亿美元用于电池回收。如今，回收商专注于从废弃的锂离子电池中回收镍和钴等贵金属。但随着美中贸易战的加剧，一些人现在正密切关注另一种电池矿物质，而目前的回收工艺将其视为几乎无用的废物。
12月1日，中国实施了新的石墨出口管制。石墨是一种碳基矿物质，最出名的是用于铅笔，但其精炼形式也用于商用电动汽车电池的阳极。中国政府在拜登政府收紧了对中国先进半导体出口的限制后不久，于10月份宣布了新的石墨出口政策，这引起了美国立法者的警觉，并引发了担忧，即中国以外的电池制造商将在获取阳极所需材料方面面临新的挑战。如今，中国主导着电池阳极供应链的每一个环节，从石墨开采和合成石墨生产到阳极制造。
连同奖励使用美国生产矿物质的汽车制造商的新联邦税收抵免，中国的出口管制正在提振美国汽车行业对国内石墨来源的兴趣。但是，建立新的石墨矿和生产设施可能需要很多年，还有一个潜在的更快选择：从报废电池中提取石墨。随着美国电池回收商正在建造大型新工厂以回收昂贵的电池金属，一些公司也在试图弄清楚如何回收电池级石墨——这在目前世界上任何地方都没有大规模进行，因为存在技术和经济障碍。美国能源部正在为石墨回收项目投入数千万美元，旨在回答基础研究问题并启动示范工厂，这也得到了这些公司的支持。
美国能源部国家可再生能源实验室电化学储能部门经理Matt Keyser告诉Grist：“如果阻碍商业石墨回收的挑战能够克服，‘废弃石墨的产量可能会非常巨大。’ 除了增加国内供应，回收石墨还可以防止关键电池资源被浪费，并可能减少与电池生产相关的碳排放。”
为了理解石墨为何难以回收，需要一些材料科学知识。石墨是一种碳的矿物形式，兼具金属和非金属的特性，包括高导电性和导热性以及化学惰性。这些特性使其适用于各种能源和工业应用，包括在锂离子电池中储存能量。当锂离子电池充电时，锂离子从金属阴极流向石墨阳极，嵌入碳原子晶体层之间。在使用过程中，这些离子被释放出来，产生电流。
石墨以晶体薄片或块体的形式存在于自然界中，经过开采和加工可生产阳极制造所需的小而球形的颗粒。石墨也可以通过加热煤炭或石油生产的副产品至2500摄氏度（约4500华氏度）以上来合成生产——这是一个能源密集型（且通常排放密集型）的过程，会触发碳原子的“石墨化”。
石墨的开采或制造成本相对较低，其价值低于电池正极中的许多金属，如锂、镍、钴和锰。因此，电池回收商传统上对其不感兴趣。相反，由于许多电池回收商来自金属精炼行业，他们专注于他们已经知道如何做的事情：提取和提纯这些正极金属，通常以其元素形式。石墨可占电动汽车电池重量的30%之多，被视为副产品，回收商要么将其燃烧发电，要么将其分离出来填埋。
美国电池材料初创公司American Battery Technology Company的首席执行官Ryan Melsert告诉Grist：“直到最近，人们谈论的电池回收都集中在那些有价值的[金属]元素上，因为它们的价值很高……而且因为那个回收过程与传统的金属加工过程非常重叠。”
要使石墨回收有价值，回收商需要获得高性能的电池级产品。为此，他们需要能够将石墨与其他物质分离、去除金属和胶水等任何污染物，并恢复材料原始几何结构的方法，这通常需要强烈的加热。
粗略的回收方法，如火法冶金（一种传统的在熔炉中冶炼电池的工艺），对石墨无效。Keyser说：“用火法冶金，很可能会把石墨烧掉。”
如今，电池回收行业正逐渐摆脱火法冶金，转向湿法冶金方法，即粉碎废弃电池并在化学溶液中溶解以提取和提纯各种金属。虽然化学提取方法可以用于石墨提纯，但Keyser表示仍存在“后勤问题”。大多数湿法冶金回收工艺使用强酸来提取正极金属，但这些酸会损坏石墨的晶体结构。提取后可能需要更长或更强的热处理步骤来恢复石墨的形状，这会增加能源消耗和成本。
第三种方法是直接回收，即在不经过熔炼或酸处理的情况下分离和修复电池材料以供重复使用。这种更温和的方法旨在保持材料结构的完整性。直接回收是一个较新的概念，比前两种方法离商业化更远，并且在规模化方面存在一些挑战，因为它依赖于非常干净高效地分离材料。但最近的研究表明，对于正极金属，它可以带来显著的环境和成本效益。Keyser说，石墨的直接回收“比合成石墨生产的能源消耗要少得多”。
如今，公司正在探索一系列石墨回收工艺。
American Battery Technology Company开发了一种方法，首先将石墨与其他电池材料（如正极金属）进行物理分离，然后进行化学提纯。之后再进行额外的机械和热处理以恢复石墨的原始结构。Melsert表示，该公司目前正在内华达州里诺的实验室设施中“非常小规模地”回收石墨。但未来，它计划借助一项为期三年、近1000万美元的能源部拨款（通过2021年两党基础设施法资助）来实现每天回收数吨富含石墨的材料。
总部位于马萨诸塞州的电池回收初创公司Ascend Elements也开发了一种石墨提纯的化学工艺。该公司全球营销和政府关系副总裁Roger Lin表示，其名为“水解阳极”（hydro-to-anode）的工艺“源于我们在水解正极（hydro-to-cathode）方面的一些工作”，这是该公司用于回收正极材料的专利湿法冶金工艺。Lin表示，Ascend Elements能够将经过初始粉碎过程污染的石墨提纯至99.9%的纯度，超过电动汽车行业的要求，同时保留了高性能阳极所需的材料特性。10月，Ascend Elements和Koura Global宣布计划在美国建立首个“先进石墨回收设施”。
与此同时，由能源部资助的初创公司Princeton NuEnergy正在探索石墨的直接回收。去年，Princeton NuEnergy在德克萨斯州麦金尼开设了美国首个中试规模的直接回收工厂。在那里，电池被粉碎，并使用一系列物理分离过程来分拣出不同的材料，包括正极和负极材料。然后，正极材料被放入低温反应器中去除污染物，之后再进行额外的步骤来恢复其原始结构。创始人兼首席执行官Chao Yan表示，可以使用相同的通用方法来处理负极材料。
“从一开始，我们就考虑同时回收正极和负极材料，”Yan说。但直到现在，该公司一直专注于将直接回收用于正极的商业化。Yan说，原因很简单：“过去没有客户关心负极材料。”
然而，这种情况正在开始改变。Yan表示，在过去一年里——尤其是在中国宣布新的出口管制后的最近几个月——汽车制造商和电池制造商对石墨回收表现出更大的兴趣。Melsert也表示，他开始看到对回收石墨“非常显著的兴趣”。
不过，客户还需要再等一段时间才能购买电池回收的石墨。能源部车辆技术办公室的电池研发项目经理Brian Cunningham表示，提纯和修复石墨的方法仍需改进，以降低回收成本。另一个限制步骤是Cunningham称之为“材料资质认证”的步骤。
Cunningham 说：“我们需要将回收的石墨提升到一个水平，让公司能够提供材料样品给电池公司进行评估。” 他补充说，从非常小规模的生产到允许电动汽车制造商测试产品的阶段，“可能需要几年时间才能完成。” “一旦回收的石墨进入评估过程，我们应该会看到越来越多公司开始建立中试和商业规模的设备。”
供应链担忧可能会加速石墨回收的商业化进程。今年夏天，能源部将天然石墨列入其能源关键材料清单。石墨也出现在美国地质调查局的关键矿产清单上——这些矿产对先进技术至关重要，但存在供应中断的风险。
这一分类意味着，国产石墨可以帮助电动汽车获得“清洁汽车补贴”资格，这是一项税收抵免，根据2022年《通胀削减法案》，该补贴对关键矿产来源有严格的要求。要获得全额补贴，电动汽车制造商必须从美国或自由贸易伙伴那里获得大部分电池矿物。到2025年，他们的车辆不得含有任何由“担忧外国实体”——与一系列外国国家有关的实体，其中包括中国——提取或加工的关键矿物。Lin表示，这一要求可能会“推高国产回收石墨的价格”。
咨询公司Benchmark Mineral Intelligence的石墨分析师Yuan Gu表示，税收优惠可能是帮助回收石墨与原生石墨竞争的关键。尽管中国实施了新的出口管制，但Gu预计短期内石墨价格仍将相对便宜，因为目前市场上石墨“供过于求”。Gu表示，石墨回收“肯定受到西方国家”的关注，这些国家希望确保未来的供应，但其可行性将取决于“回收材料的成本或廉价程度”。
如果石墨回收得以普及，行业内部人士希望它能够满足该国未来相当一部分的石墨需求——随着清洁能源转型加速，这些需求正在迅速增长，同时使整个电动汽车电池供应链更加可持续。
Lin说：“你可以帮助区域供应链，你可以帮助提高效率，降低碳足迹。我认为这是不容置疑的，一定会发生。”
本文最初发表于 Grist，网址是 https://grist.org/transportation/the-next-frontier-in-ev-battery-recycling-graphite/。
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