礦物回收再利用技術興起

文·圖/李偉

退役電池容量預測系統

礦物資源是一個國家或地區寶貴的自然財富，也是經濟和社會發展的物質基礎。因礦產開發成本不斷提高，及對環境的破壞性影響愈演愈烈，礦物回收再利用技術悄然興起。據美國《科學進展》雜志報道，鋰元素和稀土元素的回收再利用技術，已成為科技強國關注的焦點。

鋰電池進 入“批量退役期”

鋰電池近年來廣泛應用于各類電子產品和電動車等領域，有效緩解了環境污染與能源短缺問題。在一定時間的大量使用后，目前全球已進入鋰電池“批量退役期”，產生大量報廢的、有待回收處理的鋰電池，若處理不當，就會造成環境污染和資源浪費。鋰電池處理及回收利用技術的開發和升級迫在眉睫。

美國能源部新近向“紅木金屬”公司提供20億美元貸款，用于建設電池材料回收和再利用綜合設施；向“鋰循環”公司提供3.75億美元貸款，用于開發進一步有效利用鋰電池的技術，以及建設鋰電池回收處理設施。此外，美國阿貢國家實驗室從能源部無償獲得350萬美元啟動資金，用于推進鋰電池增效和回收利用技術，并支持擴大電池材料的再生產規模。

據《科學進展》報道，上述公司和機構的相關研究主要集中在三個方向。

第一個方向：提高鋰電池的充放電效率。充放電效率反映出充放電過程中能量的損失情況。通過優化電池的設計和材料，提高充放電效率，可以減少能量損失，提高電池的梯次利用率。

第二個方向：實現鋰電池的二次利用。當電池的有效容量減小到一定程度時，就無法再滿足電動車的需求，但仍然可以用于其他設備。“紅木金屬”公司已開始開發電池的二次利用技術，例如將電池用于儲能系統、家庭能源系統等。

“退役電池柔性智能拆解系統”

第三個方向：實現鋰電池的再制造。當鋰電池的使用周期結束后，可以對其進行拆解和再制造，使其重新具備一定的使用價值。通過再制造，可以降低電池的生產成本，提高梯次利用率。

新加坡也在大力開發鋰電池回收再利用技術。

新加坡科學技術研究局新近開發出將廢棄塑料轉化為鋰離子電池聚合物電解質的方法，引發業內關注。

在此之前，該機構已開發出一套鋰電池回收處理方法。處理系統可將物理、化學回收技術結合，從鋰電池消電、初步拆解、多重破碎和多重篩分循序入手，更大限度地發揮各項工藝的優點，同時盡可能地回收各項工藝過程中產生的能量，以便循環利用。

值得關注的是，新加坡在廢舊電池智能化拆解與回收利用方面取得突破，持續優化“退役電池柔性智能拆解系統”，實現了智能識別、機器人運動軌跡自動規劃以及末端拆解的柔順控制等功能。該系統采用超精準定向提取技術，成功實現了廢舊鋰電池的全組分金屬元素回收，以及原料再造，解決了傳統工藝中鋰元素回收率低的難題，回收率超過92%。

此外，基于機器學習和深度學習的建模思路，新加坡科學技術研究局開發出含有26種預測模型的退役電池容量預測系統，預測準確率超過97%。

獲得稀土的“可持續方法”

由17種元素構成的稀土，對于現代科技工業來說至關重要。但是，開采稀土會造成環境破壞并產生大量廢料，包括低放射性廢料。另外，稀土的全球供應鏈也是一個大問題。

獲得稀土的一個“可持續方法”是從舊電子產品以及工業廢料中回收，例如燃燒煤炭的副產品——粉煤灰。不過，回收稀土并非易事，稀土元素不易從其他物質中分離出來。在粉煤灰中，稀土元素以磷酸鹽的形式存在，通常被包裹在形成于燃煤爐的玻璃中。目前常用的稀土回收方法，依賴于大量腐蝕性化學物質（例如強酸），這種方法效率很低。

美國萊斯大學化學家詹姆斯·圖爾領導的研究團隊，正在開發一種新技術。其原理是使高強度電流快速通過電子和工業廢料，將其加熱到極高的溫度，最終提取稀土元素。

圖爾和他的同事采用的是名為“閃速焦耳”的加熱工藝。該工藝此前用于從各類碳源中提取石墨烯，以及去除印刷電路板中的貴金屬和有毒重金屬。“我們已經有了錘子，現在正在尋找釘子。”圖爾說，“如果能從廢棄物中獲得通常從礦石中才能提取的元素，那將是一項重大成果。”

廢料迅速升溫至約3000攝氏度，足以使粉煤灰顆粒周圍的玻璃層破裂，并將稀土磷酸鹽轉化為易溶于弱酸的氧化物，從而便于提取。在一些電子廢料中，稀土元素會以易溶解的金屬或氧化物的形式存在。問題在于，它們分層嵌入基質材料中，很難分離。“閃速焦耳”加熱法能震裂和分離基質材料，從而易于稀土元素的提取。

“鋰循環”公司用“再生電池”制造的助力車

該方法提取稀土的能力遠遠超過使用強酸的傳統方法。“過去作為‘黃金標準’的強酸，難以從粉煤灰中提取所有稀土元素。”圖爾說，“與過去的方法相比，我們的方法能將稀土回收量增加50%—100% 。”此外，這種新方法不需要消耗太多能量——處理每噸粉煤灰僅消耗價值12美元的能量。

其他研究機構也在嘗試解決從廢棄物中提取稀土這一難題。

美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室和賓夕法尼亞州立大學的一個聯合團隊宣布，正在與稀土公司合作，開發利用最近發現的天然蛋白質提取稀土的方法；美國能源部宣布，計劃建造第一座從礦山廢料中提取稀土和其他重要金屬的大型設施。

德國慕尼黑工業大學開發出一種利用藍藻菌株從水溶液中提取稀土元素的技術。該技術可用于從礦山、冶金行業的廢水中，以及電子垃圾中回收稀土元素。

中國科學院福建物質結構研究所，開發出一種利用鹽酸甜菜堿回收永磁廢料中高價值稀土元素的新方法，可提取95%以上的鐠、釹、鎘等元素。

日本政府的研究機構試圖從深海泥漿中提取稀土元素；日本大阪府立大學開發出一種吸附酵母材料，能有效提取溫泉中的微量稀土元素。