矿物回收再利用技术兴起

文·图/李伟

退役电池容量预测系统

矿物资源是一个国家或地区宝贵的自然财富，也是经济和社会发展的物质基础。因矿产开发成本不断提高，及对环境的破坏性影响愈演愈烈，矿物回收再利用技术悄然兴起。据美国《科学进展》杂志报道，锂元素和稀土元素的回收再利用技术，已成为科技强国关注的焦点。

锂电池进 入“批量退役期”

锂电池近年来广泛应用于各类电子产品和电动车等领域，有效缓解了环境污染与能源短缺问题。在一定时间的大量使用后，目前全球已进入锂电池“批量退役期”，产生大量报废的、有待回收处理的锂电池，若处理不当，就会造成环境污染和资源浪费。锂电池处理及回收利用技术的开发和升级迫在眉睫。

美国能源部新近向“红木金属”公司提供20亿美元贷款，用于建设电池材料回收和再利用综合设施；向“锂循环”公司提供3.75亿美元贷款，用于开发进一步有效利用锂电池的技术，以及建设锂电池回收处理设施。此外，美国阿贡国家实验室从能源部无偿获得350万美元启动资金，用于推进锂电池增效和回收利用技术，并支持扩大电池材料的再生产规模。

据《科学进展》报道，上述公司和机构的相关研究主要集中在三个方向。

第一个方向：提高锂电池的充放电效率。充放电效率反映出充放电过程中能量的损失情况。通过优化电池的设计和材料，提高充放电效率，可以减少能量损失，提高电池的梯次利用率。

第二个方向：实现锂电池的二次利用。当电池的有效容量减小到一定程度时，就无法再满足电动车的需求，但仍然可以用于其他设备。“红木金属”公司已开始开发电池的二次利用技术，例如将电池用于储能系统、家庭能源系统等。

“退役电池柔性智能拆解系统”

第三个方向：实现锂电池的再制造。当锂电池的使用周期结束后，可以对其进行拆解和再制造，使其重新具备一定的使用价值。通过再制造，可以降低电池的生产成本，提高梯次利用率。

新加坡也在大力开发锂电池回收再利用技术。

新加坡科学技术研究局新近开发出将废弃塑料转化为锂离子电池聚合物电解质的方法，引发业内关注。

在此之前，该机构已开发出一套锂电池回收处理方法。处理系统可将物理、化学回收技术结合，从锂电池消电、初步拆解、多重破碎和多重筛分循序入手，更大限度地发挥各项工艺的优点，同时尽可能地回收各项工艺过程中产生的能量，以便循环利用。

值得关注的是，新加坡在废旧电池智能化拆解与回收利用方面取得突破，持续优化“退役电池柔性智能拆解系统”，实现了智能识别、机器人运动轨迹自动规划以及末端拆解的柔顺控制等功能。该系统采用超精准定向提取技术，成功实现了废旧锂电池的全组分金属元素回收，以及原料再造，解决了传统工艺中锂元素回收率低的难题，回收率超过92%。

此外，基于机器学习和深度学习的建模思路，新加坡科学技术研究局开发出含有26种预测模型的退役电池容量预测系统，预测准确率超过97%。

获得稀土的“可持续方法”

由17种元素构成的稀土，对于现代科技工业来说至关重要。但是，开采稀土会造成环境破坏并产生大量废料，包括低放射性废料。另外，稀土的全球供应链也是一个大问题。

获得稀土的一个“可持续方法”是从旧电子产品以及工业废料中回收，例如燃烧煤炭的副产品——粉煤灰。不过，回收稀土并非易事，稀土元素不易从其他物质中分离出来。在粉煤灰中，稀土元素以磷酸盐的形式存在，通常被包裹在形成于燃煤炉的玻璃中。目前常用的稀土回收方法，依赖于大量腐蚀性化学物质（例如强酸），这种方法效率很低。

美国莱斯大学化学家詹姆斯·图尔领导的研究团队，正在开发一种新技术。其原理是使高强度电流快速通过电子和工业废料，将其加热到极高的温度，最终提取稀土元素。

图尔和他的同事采用的是名为“闪速焦耳”的加热工艺。该工艺此前用于从各类碳源中提取石墨烯，以及去除印刷电路板中的贵金属和有毒重金属。“我们已经有了锤子，现在正在寻找钉子。”图尔说，“如果能从废弃物中获得通常从矿石中才能提取的元素，那将是一项重大成果。”

废料迅速升温至约3000摄氏度，足以使粉煤灰颗粒周围的玻璃层破裂，并将稀土磷酸盐转化为易溶于弱酸的氧化物，从而便于提取。在一些电子废料中，稀土元素会以易溶解的金属或氧化物的形式存在。问题在于，它们分层嵌入基质材料中，很难分离。“闪速焦耳”加热法能震裂和分离基质材料，从而易于稀土元素的提取。

“锂循环”公司用“再生电池”制造的助力车

该方法提取稀土的能力远远超过使用强酸的传统方法。“过去作为‘黄金标准’的强酸，难以从粉煤灰中提取所有稀土元素。”图尔说，“与过去的方法相比，我们的方法能将稀土回收量增加50%—100% 。”此外，这种新方法不需要消耗太多能量——处理每吨粉煤灰仅消耗价值12美元的能量。

其他研究机构也在尝试解决从废弃物中提取稀土这一难题。

美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室和宾夕法尼亚州立大学的一个联合团队宣布，正在与稀土公司合作，开发利用最近发现的天然蛋白质提取稀土的方法；美国能源部宣布，计划建造第一座从矿山废料中提取稀土和其他重要金属的大型设施。

德国慕尼黑工业大学开发出一种利用蓝藻菌株从水溶液中提取稀土元素的技术。该技术可用于从矿山、冶金行业的废水中，以及电子垃圾中回收稀土元素。

中国科学院福建物质结构研究所，开发出一种利用盐酸甜菜碱回收永磁废料中高价值稀土元素的新方法，可提取95%以上的镨、钕、镉等元素。

日本政府的研究机构试图从深海泥浆中提取稀土元素；日本大阪府立大学开发出一种吸附酵母材料，能有效提取温泉中的微量稀土元素。