可充电电池中的回收钴：改变游戏规则的可持续性还是对性能的妥协?

苹果与回收钴

苹果于2023年4月宣布将在未来两年内在所有电池设计中使用100%回收钴，为保护环境出力。首席执行官Tim Cook强调，公司将专注于创新，以改善人们的生活，同时保护地球。苹果通过在产品中使用可回收材料和为运营提供动力的清洁能源来展示其环保决心。Cook重申了苹果致力于开发有益于用户和环境的技术[1]。

虽然使用回收钴是一个值得称赞的目标，但产品和电池制造商必须注意到它可能带来的新挑战。

在科技领域钴的作用

钴在现代生活中发挥着至关重要的作用，特别是在电池、燃料电池、电机、机器人、无人机、3D打印和数字技术中。在美国，钴被用于各种应用，包括生产高温合金、硬质合金和其他金属和化学应用。在全球范围内，57%的钴消耗用于电池生产；其中最关键的技术是锂离子电池(LIBs)的生产[2]。这些电池广泛存在于智能手机、笔记本电脑和电动汽车等消费电子产品中。自2008年以来，由于供应中断的潜在风险（因为生产集中在政治和经济不稳定的少数国家）和环境影响，钴已被确定为一种关键材料。钴的临界性不断提高，2021年的一篇报告中将其列为83种原材料中第十大关键材料[2]。

钴的生产

目前，刚果民主共和国是世界上最大的钴生产国，占全球产量的70%，其次是俄罗斯和澳大利亚;然而，生产商数量有限引发了人们对钴供应安全的担忧。刚果钴生产也与社会和环境问题有关，如污染、森林砍伐、人类生命损失和加剧的战争[2]。

对钴开采地区的污染影响进行了量化。研究发现，生活在这些地区的人体内的钴相关污染物含量是其他地区的六倍。在工业环境中，钴相关污染物是非工业地区的40多倍[3,4,5]。钴的稀缺性和价值导致了社会冲突，也导致了森林砍伐和人类生命的损失[6]。

展望未来，消费电子和电动汽车的电池需求预计将快速增长，这将对钴的需求产生直接影响。预计到2030年，欧盟电动汽车电池对钴的需求将增长5倍，到2050年将增长15倍[7]。满足对电池日益增长的需求将对从初级资源中提取钴造成压力[8]。寻求新的钴源对于实现减少运输部门温室气体排放的全球协议是必要的。

钴和锂离子电池（LIBs）

锂离子电池由几个部分组成，包括外壳、阴极、阳极、铜和铝箔、聚合物分离器、电解质和粘结剂[9]。石墨是最常用的阳极材料，但石墨烯、氧化钛和硅石墨复合材料也常被使用。钴广泛应用于锂离子电池的阴极，氧化锂钴（LiCoO2）、镍钴铝(NCA)、镍锰钴(NCM)等氧化物因其高比能和充电放电循环而在工业上较为常见[9]。虽然更昂贵，但基于钴的阴极的预期寿命(循环寿命)是磷酸铁锂(LFP)和锰酸锂(LMO)等无钴阴极的三倍。为了降低成本，同时保持钴的优势，NMC 811等一些商用材料也被引入，它减少了阴极中的钴含量，同时保持了与NMC 532相同的性能[10,11]。

根据TechInsights电池服务最近的研究分析，钴的用途有几种。锂钴氧化物(LCO)是最常用的正极电活性材料，而镍钴铝(NCA)和镍锰钴(NCM)因其出色的功率处理能力而适用于移动电源[12]。例如，iPhone 14 pro使用的是Sunwooda A2866电池(图1)。通过对电池阴极的x射线衍射(XRD)分析，发现该电池是锂钴氧化物电池[13]。

钴和电池回收

报废电池(EoL)是一个主要问题，因为其成分具有高毒性，其中包括有机溶剂和金属氧化物，其中一些可致癌、致突变、产生生殖毒性。报告显示，目前只有一小部分电池废弃物被回收利用，美国的回收率不到5%[14,15,16]。预计废电池的回收率将进一步下降，因为电子废物的产生每年继续增加。欧盟已采取重大措施提高回收利用率，并制定了计划，以实现报废锂离子电池的最低回收率达到70%，钴、镍和铜的回收率达到95%，并到2030年底，锂的回收率达到70%[17]。

传统的锂离子电池回收工艺，如热法或湿法回收处理，在工业上广泛使用。几种已知的锂电池回收公司，如Recupyl、Toxco/Retriev、Sumitomo Metal Mining、Akkuser、Umicore和LithoRec[19]，主要侧重于从报废电池中回收电极材料，通常能产生高回收率的关键金属；然而，这些过程对环境有负面影响。这些技术中的大多数电极材料通常经过热处理，这需要高能量输入，并向大气中排放有毒气体和二氧化碳[18]。湿法回收过程还涉及使用有毒化学品提取金属成分，并且可以产生不可回收的固体馏分。因此，传统工艺被认为不是完全可持续的。

循环经济与降级回收

最近，科学家们专注于开发符合“循环经济”概念的锂离子电池回收技术。该概念涉及闭环回收，即采用可持续的过程，以保持回收材料的纯度和价值，而不是处理或降级回收，这会产生额外的副产品流，降低质量，并可能生产性能较低的产品[21]。

回收钴可以减少对原始钴开采的依赖，减轻相关的社会和环境风险。此外，回收钴可能比原始钴便宜，因此它可以降低可充电电池的制造成本。然而，试图分离锂离子电池材料以提高回收效率的预处理技术并不完全有效，回收的黑色物质将含有活性物质以及来自导体箔的铝或铜等杂质[19]。如果不消除杂质，则回收材料的价值或性能将降低。

从逆向工程的角度来看，与传统的钴锂离子相比，有必要了解回收钴制成电池的能量密度、功率处理和循环寿命。用再生钴制成的电池的材料特性也将帮助我们比较它们与传统钴锂电池的性能，包括它们的结构和纯度，并确定是否需要额外的混合材料来提高它们的循环寿命。尽管回收行业取得了重大进展，但与不断增长的需求相比，回收钴的供应仍然有限。为了增加回收钴的供应，有必要投资于回收基础设施，并开发具有成本效益和环保的回收工艺。践行支持性法规也很重要。作为TechInsights逆向工程电池服务的一部分，我们分析创新的电池，并希望可以评估更多的回收钴商用电池。我们将在未来几年密切关注该领域，并持续评估回收钴对消费电子产品的影响。

References

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