开启城市矿山

作者 迈克尔·科尔克博士，菲利普·塞德尔博士，费利克斯·霍夫曼 构建循环供应链是 对绿色转型至关重要，尤其是当涉及到回收利用时并且重复使用稀有材料。然而，尽管如此许多循环经济倡议可能可持续，但它们并不盈利，阻碍了它们的更广泛发展。抑制了达成可持续发展目标。 锂离子（Li-ion）电池是一个关键案例。为电动汽车（EVs）和可再生能源存储提供动力是实现脱碳和绿色转型的重要环节。根据Arthur D. Little（ADL）的预测，在超过1太瓦时（TWh）之后， 2023年的门槛，到2030年全球锂离子电池年需求量将增加到约5太瓦时，到2035年将达到约7太瓦时。然而，电池生产依赖于大量金属（例如，锂、锰、钴和镍）的供应，这些金属会产生 欧盟委员会估计，到2025年至2030年间，全球对活性电池材料如锂、石墨和镍的需求将翻一番。 在开采、加工和制造过程中，存在重大的ESG（环境、社会和治理）风险和碳排放。欧盟委员会预计，到2025年至2030年间，全球对活性电池材料如锂、石墨和镍的需求将翻倍（见图1）。2030年之后的十年将看到材料需求的进一步大幅增长。然而，由于电动汽车和固定存储中的电池使用寿命可以轻易超过10年，因此在下一个十年内，可回收的报废电池的供应将保持有限。例如，在欧洲，到2035年之前，该材料的需求量几乎不会超过100万吨。1 图1：全球电池对加工原材料需求的预测（单位：千吨） 回收报废（EOL）锂离子电池（来自笔记本电脑、消费电子设备，以及主要来自日益增长的电动汽车数量）并重新使用它们的组件制造新电池，应提供将可持续性与盈利性结合的明确机会。欧盟委员会预计，到2040年，对电池中镍和钴需求的一半将由回收设施的生产来满足。2然而，在许多地区，由于需要高额的资本支出、当前的低产量、不成熟的技术、波动的原材料价格以及扩大的困难，电池回收商业模式并不盈利。在我们分析中，超过三分之七的专家（77%）认为，目前在欧洲回收报废的锂离子电池在经济上不可行。 这导致了一种不可持续的做法，即向亚洲出口黑浆（部分处理的EOL电池材料），增加了运输排放并影响了日益增长的欧洲电池工业对稀少矿产资源的获取。全球市场对此反应是，由于当地处理能力较低以及需求减少，以及运往亚洲的运输成本，欧洲的黑浆价格下降。 如何实施一个经济可行的循环模式？基于对行业参与者的ADL研究和我们在客户项目中的经验，本文概述了成功且有利可图的本地回收锂离子电池的城市采矿蓝图。这个模板不仅有助于围绕电池创建循环经济，还提供了可以应用于其他回收计划的最佳实践，例如电子产品、塑料和金属。 建设围绕电池的循环经济 电动汽车的增长将注意力集中在锂离子电池生产对国家和区域经济竞争力的关键作用上。这导致针对特定材料供应安全的法规增加，同时政府通过补贴和激励措施鼓励电池超级工厂的创建。 全球监管形势 电池回收和稀有材料来源的法规在世界各地各不相同，但整体趋势是向着更严格的标准发展。亚洲，特别是韩国和中国，是一个值得注意的先行者，自2013年以来已实施电池回收法规。这导致目前 回收率约为90%以及围绕电池建立的一个发达且盈利的循环经济体系。 电池回收和稀有材料来源的法规在全球范围内存在差异，但整体呈现出越来越严格标准的趋势。 欧盟2006年电池指令设定了55%的回收率目标。认识到这不足以实现目标，其2023年电池法规标志着向建立方向的转变。 一个闭环电池价值链。这包括回收特定材料和将它们再用于生产新电池的目标，包括： ––从2028年到2032年，将锂回收率从50%提高到80%。 ––将钴、铜、镍和铅的回收率从2028年的90%提高到2032年的95%。 在美国，没有关于电池回收的全面要求。然而，诸如能源部的锂离子回收奖金和Call2Recycle等项目积极推广和改进电池回收实践。此外，关键矿产和材料（CMM）项目通过将包括钴和镍在内的某些材料列为清洁技术必需品，间接鼓励电池回收。 锂电池回收工艺 蓄电池回收大致遵循一个三阶段流程： 1.逆向物流（收集/分类）：废旧电池被收集/运输到运营中心并进行分类。 2.预处理：电池被放电、拆解，并通过机械切碎进行物理还原。这产生了黑浆，一种包含所有电池材料的黑色粉末。 3.材料回收：黑金属通过化学或热处理或其组合进行加工，以提取金属。目前，先进的工艺路线为包括锂在内的元素提供了超过90%的回收率。 当前循环经济商业模式 电池回收来源有两个：来自电池超级工厂的生产废料和来自电动汽车、能源存储、手机和笔记本电脑的报废电池。电动汽车电池在初级（需求较低）的静止二次应用中的平均使用寿命预计可轻松达到10-15年。这意味着大多数回收商专注于来自生产废料的电池，特别是通过电池制造商和回收商之间的封闭合作来实现。 这将在中期内发生变化，随着电动汽车数量的增加。在欧洲，预计2030年至2035年将是转折点，那时电动车的EOL（生命周期结束）量将超过生产废料，成为回收材料的多数。这将使新商业模式，如车辆原始设备制造商或电池制造商，能够保留电池材料所有权，并利用回收公司作为服务提供商来完成提取过程。 在亚洲，由于电池和电动汽车的生产较早启动，回收商已经建立并开始运营大规模的湿法冶金设施，大规模处理包括来自欧洲的黑质料。这使得运营更加经济，并刺激了当地黑质料市场的强劲增长，导致价格比欧洲高出约20%。这些较高价格与欧洲当前湿法冶金业务的短缺相结合，导致过剩的黑质料被出口到亚洲，引发了对材料安全的担忧。 城市采矿的挑战 为深入了解当前及未来电池回收的经济观点，ADL与德国亚琛工业大学合作开展了一项研究项目。该项目涉及对行业专家进行访谈，以了解城市电池开采的挑战和机遇。研究结果确定了需要克服的六个关键挑战和成本驱动因素。 1. 水冶法 欧洲回收的最大障碍是建立和运营水冶设施的成本，这一点被三分之二（66%）的专家所强调。这包括用于以下方面的资本支出投资： 建设能够处理大量且成本效益高的具有侵略性化学品的复杂、专业设施。提取如锂、镍、钴和锰等在电池级质量中的有价金属，需要精确控制和复杂的程序以确保高纯度回收。残留物和副产品 欧洲回收最大的障碍是建立和运行水冶设施的成本，正如三分之二（66%）的专家所指出的。 包括有毒物质和重金属，需要大量的（且昂贵的）处理过程以确保符合环境法规。 2. 电池运输 在EOL或废弃锂离子电池的运输和储存方面存在严格的安全生产法规，其中一些是针对特定国家的。92%的专家认为，由于这些要求增加了电池运输的成本，因此它们具有挑战性。关于电池状况（即它们是否仅为EOL或存在缺陷）的不透明性，进一步增加了运输费用，需要更大、可能是不必要的重型和占用空间的金属容器。长途运输，尤其是在国家边界，以及缺乏安全运输电池的经验，也增加了成本。 3. 场地选择和许可证获取 水冶设施需要特定的条件，例如充足的水源，这复杂化了它们可以建在何处的问题，同时它们工艺的化学强度要求公司获得详细的运营许可证。获得正确的许可可能需要大量时间，并需要与监管机构进行复杂的谈判，以及与当地社区和企业的互动。许可和法规在不同国家之间也存在差异，这增加了进一步的复杂性，并可能导致回收公司设立在监管较少的地理区域。 确保电池的持续供应与管理上游/下游合作伙伴关系 行业专家认为，随着公司为未来做准备，EOL电池的需求正在增加。几乎一半（43%）的受访者认为，由于竞争加剧，确保未来的回报量是一个重大甚至巨大的挑战。有两个因素加剧了这一情况： 1.电动汽车原始设备制造商对市场有显著影响。例如，通过指定可回收的量并邀请对电池处理的投标。这要求回收商 navigates complex tender processes— often for short (one-year) contracts — limiting the ability to plan effectively. 2.新玩家，通常来自亚洲或北美，正在进入市场。许多人拥有大量财务资源或经验，这意味着他们将通过具有侵略性的定价策略来争夺市场份额，从而可能扰乱市场动态。 5. 监管合规与运营效率 在欧盟内部，电池法规规定了对特定电池材料的最低回收率，这些比率将逐步提高。专家们认为，实现这些目标在技术上是可行的，但将对回收商构成重大操作挑战，需要投入大量努力和过程优化以符合规定。相反，提高欧洲电池中回收内容的比例将推动回收的需求。 6. 变化的电池化学成分 鉴于稀有金属的高成本，电池制造商正在寻找需要更便宜原料的替代电池化学成分。例如，昂贵的镍钴锰（NMC）电池正越来越多地被成本更低的锂铁磷（LFP）新型技术所取代，这些技术不含镍和钴（见图2）。预计到2030年，LFP将占回收原料的50%。然而，由于锂是除了价值较低的铁和磷酸盐成分之外，从LFP电池中可以提取的最有价值的材料，因此回收的盈利性要低得多。这在欧洲和北美尤其是一个挑战；在亚洲，LFP回收已形成了一个成熟且盈利的市场。钠离子等新的低成本电池可能会进一步降低回收的盈利性。 关键假设 商品价格：平均2021年材料价格（在高波动期之前）电池组件成分：阴极（30%）、阳极（15%）、电解质（10%）、铝（20%）、铜（15%）以及其他（塑料、粘合剂等）（10%）阴极材料组成：物料混合取决于电池化学成分组件恢复率：阴极、阳极、电解质、铝和铜被回收物料回收率：Ni, Co, Cu, Li（符合欧盟规定）运营支出：假设平均机械+水力路线 图2：不同锂离子电池化学成分的循环经济 电池回收盈利性的建议 大规模围绕电池回收创建循环经济对于绿色转型至关重要，尤其是在欧洲。尽管存在重大挑战，但关注以下四个建议有助于克服围绕盈利性的障碍，并为在其他领域创建循环经济的企业提供经验教训。 1. 采用中心辐射型物流模式 在长途运输报废电池时成本高昂且存在安全担忧。相比之下，运送处理过的黑色物质则更为简单且费用低廉。因此，回收商应采用中心和辐射模型来运营，其中多个本地收集点用于报废电池的初步机械处理（见图3）。由此产生的黑色物质随后可被运输至中央水力冶金中心进行提取。此模型减轻了环境影响并提高了经济效益，简化了收集过程，降低了运输成本（和排放），并改善了安全性。随着水力冶金中心数量的最小化，所需的资本也相应减少。 该方法的两大挑战是： 1. 若辐条位于不同国家，运输报废电池跨越国界所产生的显著成本。 2. 依赖少数几个大型加工中心。中心故障或超负荷运行可能导致运营瘫痪，确保获得足够规模的适宜地点对于实现规模经济至关重要。 案例示例：Li-Cycle Li-Cycle，总部位于加拿大，是一家国际电池回收公司，其在运营中应用了轮毂-辐条逻辑。地理上分布的辐条预先处理电池包并交付黑色物质。集中的轮毂继续对黑色物质进行湿法冶金处理。Li-Cycle在纽约罗切斯特设立了一个北美轮毂，并宣布计划在意大利Portovesme安装一个欧洲轮毂。 在技术创新与加工中寻求创新。 改进当前的处理技术和技术可以提高成本效益、增加盈利能力和优化运营。 三分之二的专家认为，电池预分类是一个需要显著改进的领域。目前，许多回收商在开始处理之前并不进行预分类，这导致后续工作更加费力。预分类使回收商能够： ––区分具有相同化学成分但材料百分比不同的电池（例如，NMC 111 电池由于其更高的钴含量而比 NMC 811电池显著更有价值） 三分之二的专业人士认为预处理电池是一个需要显著改进的领域。 ––了解电池的状况，以便对其进行不同的处理，例如修复而不是回收。 此外，当前的回收工艺并未针对效率或物料分离进行优化，这增加了成本，并意味着有价值的金属如锂损失。创新技术提供了以下可能性： 提高产量 降低能耗（因而，降低成本） ––用生物溶剂替代水冶工艺中更具侵略性/更高排放的化学品，降低环境危害和监管要求。 3. 利用机器学习和人工智能优化回收过程 调整经营规模、管理产能和利用率对于循环利用的盈利至