电动汽车电池材料供应链的脱碳

本文由 Ascend Elements 的 Chris Duhayon（非阴极研发负责人）、Adrian Garaycochea（生命周期评估分析师）和 Emma Giddings（生命周期评估分析师）贡献。

能源-材料关联

自工业革命以来，人类活动大大增加了温室气体（GHG），在相对较短的时间内破坏了全球气候。事实上，NASA最近确认2023年是有记录以来最热的一年¹。大量的科学文献表明当前气候危机的灾难性影响^2–5，这是一个交叉问题，不仅对我们的经济系统构成威胁，还对我们自身的生存构成协同威胁⁶。

好消息是我们作为一个全球物种，能够团结起来，为共同的目标合作：到2050年实现净零温室气体排放。这个全球协议，被称为《巴黎协定》，已经推动包括美国在内的196个国家和众多公司越来越多地宣布减少排放的承诺⁷.

在这种背景下，交通运输部门在全球气候目标的实现中起着至关重要的作用，因为它 alone 占美国温室气体排放的三分之一左右⁸重要的政策干预措施，例如《降低通货膨胀法案》（IRA），推动了清洁技术的采用和高碳技术的逐步淘汰。例如，为消费者和美国汽车制造商提供了将内燃机（ICE）车辆更换为电动汽车（EV）的激励措施⁹。这反映在美国的电动汽车销售上，2023年相比2022年增加了50%，并且这一趋势持续向上¹⁰。然而，电动汽车的部署转化为一个自然资源问题，更具体地说，是关键材料。平均而言，一辆电动汽车使用的关键材料是内燃机车辆的八倍^11。

将全球变暖限制在实现净零温室气体排放的情景下，将导致对关键材料的需求迅速且大量增加。根据国际能源署（IEA）最近的一份报告，到2040年，镍、钴和锂的需求将分别增加到原来的七倍、四倍和十三倍¹².

对关键材料的即将需求突显出能源安全依赖于锂、镍和其他电动汽车金属¹³。此外，它强调了清洁能源转型所需的材料与其通过采矿活动的开采之间的联系，这些采矿活动充满了重大风险和约束，包括储备位置、出口配额、环境影响、地缘政治波动和技术能力¹⁴。

例如，印度尼西亚拥有世界上最大的镍供应（一种提升电动汽车电池能量密度的关键金属），并且已通过立法阻止出口，以发展自己的电动汽车产业¹⁵。此外，美国唯一的镍矿预计将在2025年耗尽，并且该国缺乏镍精炼厂¹³。同样，中国在2019年威胁要阻止向美国出口稀土元素¹⁶，这些元素用于制造将电动汽车电池中的电力转化为运动的磁铁。关于钴，这种关键材料用于防止电动汽车电池侵蚀，主要在刚果民主共和国开采，该国拥有全球超过一半的钴供应¹⁷然而，那里的童工经常被用来开采矿物¹⁸，这是汽车制造商、监管机构和政策制定者非常关注的问题¹³。

在这种情况下，开采和精炼关键材料是加速向清洁全球能源系统过渡的限制因素^12,13,19。事实上，绿色能源需要采矿，但它并没有最好的声誉。最近的事件支持了这些批评，从2020年在西澳大利亚摧毁了46000年的原住民岩石避难所²⁰，到2019年在巴西导致近三百人死亡的致命尾矿坝崩溃²¹。

汽车制造商认识到他们的未来在于电动汽车，尽管他们明白这些车辆的供应链必须是低碳的、没有侵犯人权和有毒污染的。在这种情况下，从废料制造商和用过的电动汽车电池中获取现有的和即将到来的关键材料，以应对短期和长期的气候变化是至关重要的。

传统正极材料的提取方法：采矿

满足电池材料日益增长的需求的一个选项是通过采矿进行初级提取。采矿生产正极活性材料（CAM）的过程包括从地下提取原材料，通常是镍、锰、钴、锂和石墨。然后对这些材料进行提纯和净化，以用于正极和负极活性电池材料²².

镍是高性能电池生产中的关键成分，因为它增加了电池单元的能量密度²³。今天，全球镍总产量的近一半来自印度尼西亚²⁴，并且这一份额预计到2030年将增长到75%²⁵。这一增长是由采矿和精炼基础设施的重大投资推动的，使印度尼西亚成为全球电池产业的主导者²⁶。

传统回收方式：湿法冶金

自20世纪80年代以来，湿法冶金工艺已被应用于电池回收。2023年，美国来自汽车行业的铅酸电池回收率高达99%，美国铅酸电池制造商大约有83%的所需铅来自北美地区的回收设施²⁷为了实现这一目标，通常会采用火法冶金和湿法冶金相结合的方法，这通常意味着首先对电池进行分类。每种类型的电池都有其独特的回收工艺，例如，碱性电池不能通过为铅酸电池设计的工艺进行处理。然后，通常会进行破碎和分离组件的步骤。塑料将被回收，铅基材料将通过火法冶金方法进行处理，例如熔炼。硫酸将被中和或处理以生产副产品。

锂离子电池回收工艺的发展随着这些电池在主要应用中的采用而进行，并且正在逐步达到技术成熟。目前的原料主要是不符合规格的材料和制造废料，预计将来会逐渐转向退役电池²⁸. 火法冶金或湿法冶金方法（或两者的结合）被开发用于锂离子电池的回收，它们最初遵循与其他类型电池相同的原理。锂离子电池比铅酸电池更复杂且经过工程设计。它们包含正极、负极、隔膜材料、电解质和集电极材料。正极是电池的活性材料，可以由磷酸铁锂或镍锰钴氧化物组成。负极通常是石墨，隔膜材料是聚合物材料。正极的集电极材料通常是铝，负极的是铜。

需要回收的材料需要被破碎成更小的颗粒，然后根据某些物理参数进行分类，例如尺寸或密度。这使得大多数塑料、铝和铜可以被分离出来，并在各自的回收领域进一步回收和精炼。剩余的混合物通常被称为“黑粉”或“黑沙”，主要包含阴极和阳极材料，需要进一步加工。经典湿法冶金的方法是处理这些材料以生产单一和精炼的产品，例如单独的金属盐。这可以是硫酸锰、硫酸钴、硫酸镍，以及氢氧化锂或碳酸锂。这种方法通常非常费时，需要多达18个步骤才能成功。黑色块会经过浸出（与含有硫酸和过氧化氢等试剂的水溶液反应）使有价值的金属溶解到溶液中。剩余的固体经过过滤，溶液经过复杂的杂质去除过程，结合单金属或其盐的分离和浓缩，最终生成金属盐的固体形式。这些步骤可能包括混合、加热、分离、过滤、结晶和干燥。经典湿法冶金的产物可能需要进一步提纯或预处理才能用于生产新的前驱体正极活性材料。这通常意味着更高的试剂和能源消耗、更大的工厂占地面积，最终导致更高的碳足迹。

Ascend Elements的专利水转电化学®工艺与传统的湿法冶金工艺不同，它不涉及通过分离生产单种金属或其盐，而是将感兴趣的金属（镍、锰和钴）保持在溶液中，并通过不同的方式去除杂质。获得的溶液可以直接用于前体合成。这具有更短、更高效的回收循环特点。

升腾元素的氢-碳循环

Ascend Elements的Hydro-to-Cathode®工艺是一种创新的方法，将使用过的锂离子电池和制造废料混合流转换为高纯度的电池级正极活性材料。这种方法在最大化回收材料价值的同时，减少了成本和碳排放。尽管汽车行业对回收电池材料的性能存在担忧，但几篇同行评审的研究表明，Ascend Elements的工程电池材料的性能与使用 primary（或开采）来源制造的材料一样好²⁹.

过程概述

Hydro-to-Cathode® 过程选择性地浸出杂质而不是有价金属，这使得回收和处理更加高效。该过程可以分为以下步骤：

1. 粉碎:
   • 破碎：使用过的锂离子电池和制造废料经过工业破碎过程，这减少了材料的尺寸，并有助于不同组件的分离。
   • 分离：通过分类过程，撕碎的材料被分离成黑色物质和其他成分，如塑料、铜和铝。黑色物质继续进行下一步处理，而分离出的副产品（塑料、铜和铝材料）则被出售。

      

2. 黑色质量渗漏和过滤：
   • 锂提取： 锂通过使用循环过程溶液进行提取，然后沉淀、过滤和干燥，生产出技术级碳酸锂出售给客户。此过程的滤液随后被循环回到锂提取过程中。
   • 浸出及杂质去除： 黑色粉末经历一个化学浸出阶段，其中镍、钴和锰溶解到溶液中。然后去除杂质，确保有价值的金属留在溶液中。
   • 阳极材料分离： 剩余的固体石墨材料从溶液中分离出来并出售。

      

3. NMC比率调整:
   • 溶液调整： 溶解的金属溶液被调整以实现所需的金属硫酸盐成分。这种调整取决于原料的特定化学性质和最终产品的客户需求。

      

4. 共沉淀：
   • 直接前体合成： 调整后的金属溶液进行直接前体合成，生成前体正极活性材料（pCAM）。这个中间产品可以直接销售给客户，或者经过煅烧过程生产正极活性材料（CAM）。

      

5. 废水处理:
   • 废物再利用：pCAM合成产生的废水流中含有的硫酸钠和剩余的锂经过处理以提取有价值的材料：
     • 硫酸钠被重新利用，有效地消除了这一废物流。
     • 通过另一个沉淀和过滤过程提取废水中的残余锂，生产额外的碳酸锂出售。

通过实施Hydro-to-Cathode®工艺， Ascend Elements为从废旧电池和制造废料中回收关键材料提供了环保解决方案。这个回收过程通过在可能的情况下回收水和试剂，减少了废物的产生，并将潜在的废物输出转化为有价值的资源。

比较环境影响

Hydro-to-Cathode® 过程与其他CAM生产过程相比有什么影响？

在整个制造业中，减少环境影响和增强可持续性的有意识决策需求日益增长。为了做出这些决策，了解产品的完整环境影响是至关重要的——这就是生命周期评估（LCA）的作用。

生命周期评估框架
生命周期评估（LCA）是一种方法，通过分析产品的整个生命周期，提供对产品、过程或服务的潜在环境影响的全面理解。它考虑：

• 材料： 识别和量化在整个过程中使用的材料
• 运输: 评估运输方式和原材料及最终产品在生产现场的运输距离
• 能源消耗： 测量过程所需的能量量，并确定能源来源
• 废物和排放： 评估产生的废物和排放的类型和数量

该框架是 Ascend Elements 研发的核心部分，使他们能够在环境影响发生前预测到这些影响。这种预见性对于做出关于过程设计的明智决策和选择最可持续的选项至关重要。

使用LCA方法， Ascend Elements评估了其专利的Hydro-to-Cathode®生产NMC 622 CAM的过程的环境影响³⁰。此评估包括从废旧电池的运输到其设施，再到CAM生产过程，最后将成品CAM运输到指定地点的每一个阶段。此评估是按照ISO 14067标准由Minviro进行，并由专家小组进行了批判性审查。

这项评估不仅分析了整体的环境足迹，还确定了关键的“热点”，即在过程中排放较高水平的CO2e的具体区域。通过关注这些热点， Ascend Elements已经制定了三个关键的脱碳情景，旨在到2030年将CO₂e足迹减少80%：

1. 在回收和制造设施中使用100%可再生能源
2. 使用铁路运输材料
3. 负责任地使用碳酸锂 (Li₂CO₃).

结果
当使用来自印度尼西亚的镍时，传统的采矿过程每生产1千克NMC 622 CAM会生成约42.8千克的CO₂e。随着Ascend Elements在2024年提供的当前Hydro-to-Cathode®流程，生产1千克NMC 622阴极会生成21.9千克的碳排放。Ascend Elements的流程自然地显著减少了碳排放——相比从采矿生产 primary 材料使用印度尼西亚镍减少约49%。

通过实施三个主要的脱碳情景，使用Hydro-to-Cathode®工艺生产的CAM的2030年碳足迹预计每生产1千克CAM将产生4.4千克CO₂e，这比从采矿生产CAM的CO₂e排放减少了90%，如下面的图所示。

为了将气候影响放在适当的角度，2030年Hydro-to-Cathode®过程减少的碳排放量可以与将一定数量的内燃机（ICE）车辆从道路上移除一年进行比较³¹。如果Ascend Elements生产10,000公吨的NMC 622（或约125,000辆电动汽车的材料），其排放减少量是显著的——与采矿的原材料相比，相当于将83,478辆内燃机车辆从道路上移除一年。

比较内燃机车辆（ICE）和电动汽车（EV）的全生命周期排放，如果使用Ascend Elements（AE）的碳排放模型（CAM），电动汽车的总二氧化碳排放量只有在行驶了17,700英里后才会低于内燃机车辆的排放量。假设每年行驶里程为15,000英里₃₂，这个平衡点可以在仅仅1年2个月内实现。此外，如果在过程中采用脱碳策略，配备低碳CAM的电动汽车在行驶了12,000英里后其排放量就会低于内燃机车辆，这只需要10个月的驾驶时间。

下面的图表说明了这些发现，比较了使用标准和脱碳CAM（来自Ascend Elements）的内燃机车辆和电动汽车的累积CO₂排放。

这些发现展示了 Ascend Elements 的 Hydro-to-Cathode® 过程在显著减少电动汽车供应链和交通运输行业中的温室气体排放方面的潜力，有助于 Ascend Elements 及其合作伙伴实现低碳和可持续的制造实践。

迈向净零排放

全球减少温室气体排放需要全球向清洁能源过渡，这反过来对关键材料提出了巨大的需求。这给从地壳中提取矿物带来了巨大的压力，通常与对环境和当地社区的负面影响相关联，同时也可能威胁到能源安全³³.

为了减轻采矿负担，未来的工作是从废旧锂离子电池（LIBs）中回收关键材料。这也将锂离子电池的处理从填埋场转移出来，防止重金属和有毒物质对环境和健康的威胁³⁴。因此，回收不仅可以节省自然资源，还可以防止有毒成分的污染。然而，一些传统回收方法是碳密集型过程³⁵，这必须得到解决，才能真正实现净零排放。

在这种背景下， Ascend Elements 通过其专利方法 Hydro-to-Cathode®，从使用过的锂离子电池和 gigafactory 废料中提取关键材料，制造工程电池材料。该方法以其超高效的电动汽车电池回收过程而闻名，可回收高达 98% 的关键电池材料，并且与当今的传统生产方法相比，生产正极材料的温室气体排放量减少高达 49%³⁰。此外，Ascend Elements 最近承诺加入科学基础目标倡议（SBTi），以进一步减少其温室气体排放，并在 2050 年前实现净零排放³⁶。这一承诺符合最新的气候科学，并旨在实现《巴黎协定》的目标。

Ascend Elements通过应用生命周期评估（LCA）方法，概述了其脱碳途径，以满足SBTi的承诺。这个简单而强大的框架从系统 perspective 提供见解，避免意外后果的忽视，并识别在整个价值链中减少环境影响的关键点。因此，Ascend Elements已将LCA方法整合到其核心战略中。最终结果是下游的终端产品具有更低的温室气体排放，这对于电动汽车原始设备制造商（OEMs）来说特别重要，以应对其范围3排放，使他们能够实现自己的气候目标，并加速全球向净零碳排放的过渡。