隨著科技進步與環保意識抬頭，鋰電池已成為我們生活中不可或缺的電力設備。從手機、平板到電動車，鋰電池的應用範圍日益廣泛。然而，在享受便利的同時，我們也面臨著一個嚴峻的挑戰：如何處理大量廢棄鋰電池。
儘管各國政府和企業已開始投入資源建立回收鏈，鋰電池回收過程比一般電池複雜，大規模回收面臨不少技術挑戰。工業技術研究院材料與化工研究所林欣蓉博士表示，針對廢鋰電池的再生材料，若能有效地提高產品價值及降低內部雜質含量，不僅可建立國內的循環再生與使用，也能將金屬有價資源留在國內。
未來 2 年將有大批廢鋰電池，回收技術需加速
依不同正極材料，鋰電池可分為磷酸鋰鐵電池、鋰鈷氧電池、鋰錳氧電池、鋰鎳鈷錳三元電池及鋰鎳鈷鋁二元電池，目前以磷酸鋰鐵及鋰三元兩種電池為全球電動車產業主流趨勢。鋰三元與磷酸鋰鐵電池在 2020 年分別占總容量 73% 及 27%，但林欣蓉博士指出，磷酸鋰鐵電池憑藉性價比優勢，到 2021 年已快速增加至 36%，且預估 2024 年在全球動力電池市場裝機量占比將超過 60%。
理論上，鋰電池壽命可達 8 至 10 年，因此無論是資訊科技、電動車或儲能系統使用的鋰電池，預計未來 2 至 3 年將陸續進入報廢期，迎來大規模退役潮。在此同時，綠能產業的發展也將帶動電池循環產業的價值及需求，若能透過循環再利用技術，從退役鋰電池取得有價資源，有利於降低鋰電池生產成本並提高綠能產業經濟效益。
值得注意的是，歐盟《新電池法》在 2023 年 8 月上路，針對電池回收再利用給出詳細規定，要求可攜式電池回收率要在 2027 年達到 63%，2030 年達 73%；法規還要求 2031 年後，鋰電池中的鈷至少有 16% 來自回收材料，而鋰和鎳的回收比例則分別要達到 6%。
由此可見，鋰電池的回收已成為全球電動車產業的一項關鍵課題。
環境與經濟兩大層面，加深鋰電池回收重要性
林欣蓉博士分析，鋰電池回收的重要性，可從環境層面與經濟層面來看。
在環境層面上，鋰電池中含許多有價金屬資源，包括鈷（Co）、鋰（Li）、鎳（Ni）、錳（Mn）、銅（Cu）等資源，若金屬礦藏過度開採將導致生態風險，且鋰電池若未妥善回收可能有污染環境的疑慮。此外，隨著電動移動運輸工具獲得各國補貼政策大力推動，帶動鋰電池市場蓬勃發展，原材料需求量持續升高，預期很快將面臨全球缺料之危機。
至於經濟層面，由於臺灣天然資源匱乏，產業需用之金屬原料皆仰賴進口，近期中美貿易戰、疫情等因素造成運價高漲，加上碳排碳稅議題造成國際金屬市場波動與產業成本持續升高，對產業帶來的影響不容小覬。此外，隨著歐盟新電池法開始要求 2 kw 電池需添加一定比例再生料，因此更被關注。舉例來說，鈷的主要供應國家為非洲的剛果，會受到政治地緣、勞工安全與環境與運輸風險等限制；鎳則是因為烏俄戰爭的因素，價格一度破 10 萬美元/噸。
鋰電池回收難度高，多項研究提升效率
不過，鋰電池的回收卻也面臨難題。
鋰電池的處理方式目前主要有三種。第一種是降階利用，即將報廢電池重新整合，用於儲能裝置或低速電動車。第二種是回收金屬材料，對完全失效的電池進行分解以提取可用的金屬。第三種是廢棄掩埋，但這種方法不僅不環保，還缺乏經濟效益，因此業界通常會盡量避免使用。
汰役鋰電池的降階利用，看似是延長電池壽命、減少資源浪費的最佳解法。然而，不同廠牌、不同型號的鋰電池，其內部結構、化學成分、性能參數皆有差異，這使得電池的標準化管理和再利用變得困難重重。此外，電池的衰退程度、剩餘電量等資訊的不透明，也增加了降階利用的風險。
金屬回收則是另一種處理方式。傳統的火法和濕法冶金雖然能有效提取鋰、鈷、鎳等貴重金屬，但火法冶金之高溫處理過程不僅耗能，還可能產生有害物質，對環境造成污染；濕法處理可以透過化學處理，如沉澱、置換、萃取、浸出等，但過程中易產生廢水、廢酸的問題，需要特別留意。
在環保署（現已改制為環境部）的支持下，工研院材料與化工研究所投入開發鋰電池循環技術，盼能使鋰電池的回收品質與效率提高，將關鍵原物料於國內產業做循環使用。
首先，國內對於氧化鈷及未經塑性加工之鈷的需求量相當龐大，每年約近 2,000 噸。若能有效提升廢電池再生料的純度，降低雜質含量，不僅能滿足國內市場需求，更能建立完整的國內循環經濟體系，將寶貴的金屬資源留在國內，減少對進口原料的依賴。
林欣蓉博士指出，工研院針對「廢二次鋰電池提取高純正極前驅物原料之驗證」，是將鋰電池正負極混合粉經物理精密分選後，有效去除鐵、銅、鋁等雜質，再透過調控酸鹼溶液分離純化程序，將正負極混合粉體以低耗能與高效率的模式，可讓鈷的提取率達 98% 以上。之後，利用高溫熱還原製程，將再生料再製成氧化鈷，含鈷量可大於 71.06wt%，雜質小於 300 ppm，符合工業級原物料規格。
除了濕製程的開發，也設計了低碳回收循環製程，應用於舊鋰電池回收。由於鋰電池在製作過程中會使用高強度的設備來壓實正負極材料，使其緊密地附著在極板上，鋰電池拆解後，正極鋁箔上的活性材料仍然緊緊地附著在鋁箔上，成為回收的課題。
團隊研究發現，可以使用超音波或溶劑來分離鋁箔與這些活性材料。接著，利用可以自然分解的黏著劑來減少附著劑和導電碳黑等雜質，再通過一種名為「固相快速燒結」的技術進行結構修復。「固相快速燒結」指的是一種快速加熱和加壓的方法，能把粉末轉變成固體，並且減少材料中的空隙，提高強度，還能夠恢復電池容量達 95% 以上，接近商業標準。這是發展廢鋰電池高價值回收技術和打造國內自主回收產業鏈的重要環節。
團隊也建立智慧化電池分選系統，克服鋰電池的包裝型態多種、尺寸差異、內部化學組成不同，加上無統一規格辨識條碼，在分選上造成困難等問題。研究透過 AI 訓練模型結合光學辨識系統，依先前建立的鋰電池主要廠商數據資料庫，讓 AI 擷取辨認廢電池外觀特徵，判斷該電池之回收分類屬性，再透過氣流操縱方式控制電池進入分類蒐集箱。
2030 年鋰電池回收商機將破百億美元
對於鋰電池未來發展，除了重新製成電池後，還有哪些用途？
研究機構 MarketsandMarkets 預估，全球鋰電池回收的市場規模在 2020 年預計為 36 億美元，2030 年將增至 107 億美元，年增幅約 19.4%。林欣蓉表示，重新製成電池是目前最高價的做法，鋰電池回收後的產物已可運用於化工與金屬加工產業應用，包含電鍍、合金添加、醫療、染料、工業產品（磁石、螺絲、鋼材）等。
配合政府的循環經濟計畫，工研院已針對鋰電池循環進行多階段布局，建構完善的電池循環經濟。短期目標聚焦於 AI 智慧分選與低破壞拆解技術的研發，以提升回收效率並降低對環境的影響。中期著重於高效率補鋰再生技術，延長電池壽命，提高其經濟價值。長期則是推動 Design-in 易循環材料設計，將循環經濟的概念融入電池設計之中，以期建立完整的供應鏈體系，打造臺灣獨有的電池循環經濟模式。此舉不僅能減少對環境的負擔，更能提升臺灣在全球電池產業的競爭力。
資料來源
採訪工業技術研究院材料與化工研究所林欣蓉博士
《工業材料》451 期，2024 年 7 月，p. 67, p. 82 – 92
本文授權轉載自科技大觀園。
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