《iScience》：Baseline techno-economic and life cycle assessment of black mass production
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锂离子电池回收的经济可行性关键在于黑粉（black mass）——即供给下游金属回收工序的电极粉末浓缩物——的生产，然而，将真实工艺经济性与环境影响相结合的公开基准研究仍十分稀缺。本研究表明，一种纯机械工艺流程——包括粉碎（shredding）、之字形气流分级
锂离子电池回收的经济可行性关键在于黑粉（black mass）——即供给下游金属回收工序的电极粉末浓缩物——的生产，然而，将真实工艺经济性与环境影响相结合的公开基准研究仍十分稀缺。本研究表明，一种纯机械工艺流程——包括粉碎（shredding）、之字形气流分级（zigzag air classification）和圆形筛网振动（circular screen vibration）——在同等条件下应用于两种结构迥异的原料，可从电动汽车（EV）模组中以93.28 wt%的分离效率回收黑粉，从手机电池电芯中以75.77 wt%的分离效率回收黑粉。基于实测中试数据，在现实原料采购价格下，满载加工成本为0.31–0.73美元/千克，净利润为4.39–5.53美元/千克，在模拟市场情景中亏损概率低于0.2%。生命周期评估（LCA）表明，大部分环境影响归因于电网电力，全球变暖潜势（GWP）为0.210–0.241 kg CO2当量/千克输入；低碳电网可将其削减62.8%。这一配对基准为新兴回收路线的对标提供了依据，并支撑循环电池供应链的建设。
论文解读：锂离子电池黑粉机械法生产的基准技术经济与生命周期评估
一、研究背景与意义
交通运输电气化是应对气候变化的重要途径之一，锂离子电池（LIB）在道路电气化和电力储存中扮演着关键角色。然而，锂离子电池的快速部署带来了显著的生命周期环境影响和关键资源供应风险。大多数锂离子电池使用钴、镍、锂等相对稀缺的材料，因此建立高效回收工艺以高收率回收高纯度材料至关重要。从生命周期分析（LCA）角度看，物理方法因能耗和化学品投入最小而更为优选。现有回收方法可分为火法冶金、湿法冶金和物理法三类，但在文献中基于技术经济和生命周期分析构建回收工艺流程的数据极为匮乏。
传统火法冶金和湿法冶金虽已规模化应用，但存在回收流程长、成本高、环境负担重等问题。例如，索尼电子曾在约1000°C下熔炼废旧锂离子电池以蒸发有机化合物、锂和氟化物，但锂因逸散至烟气而难以回收。相比之下，直接回收法可避免破坏电池原始晶体结构，实现报废（EoL）正负极的直接再利用。研究表明，通过直接回收再生的钴酸锂（LCO）、镍钴锰氧化物（NMC）和磷酸铁锂（LFP）材料成本分别比原生材料低43%、16–27%和15%。
文献虽已认识到黑粉与集流体分离在锂离子电池回收中的关键地位，但关于半中试规模操作、比较设备评估以及多样化报废电池来源影响的研究仍十分有限。本研究针对这一空白，以电动汽车模组和手机电芯两种不同电池来源为对象，系统评估黑粉分离的技术可行性和效率，旨在实现工业可扩展性，并为后续有价金属回收提供高品位原料。该研究的创新之处在于：所提出的机械方法能够在黑粉中提供高品位阴极浓缩物并实现高回收率，为主流下游回收路线（如火法冶金或湿法冶金）提供高度浓缩的进料，从而最大化其效率和成本效益。
二、主要技术方法
研究人员采用了一套定制设计的机械分离单元，包括粉碎机、之字形气流分离器和圆形筛网振动筛。电动汽车电池模组（约13 kg，16个电芯，健康状态<60%）通过定制设计的放电装置放电至0.1 V以下；手机电池（约2 kg）则浸入10 wt% NaCl溶液中放电24小时。放电后电池经手动拆解以建立黑粉基线组成，随后分别通过两条不同工艺路线（EV I/EV II、MP I/MP II）进行机械分离。技术经济分析基于泰国工业价格计算投入成本（电力、化学品、废物处置），生命周期评估使用Umberto 11软件配合Ecoinvent 3.11数据库，以泰国2022年电力结构为基准进行建模。
三、研究结果
电极材料表征： 通过扫描电子显微镜（SEM）分析，电动汽车电池阳极呈现11.38 μm铜箔夹层于石墨层之间的结构，阴极铝箔芯为14.76 μm，表面涂覆约44 μm和53 μm的NMC活性材料，能谱分析（EDS）测得Ni:Mn:Co原子比约为0.52:0.22:0.26，接近NMC622。手机电池集流体箔更薄（阳极4.34 μm、阴极6.85 μm），阴极EDS分析显示33.94 wt% Co和22.95 wt% O，与LiCoO2活性材料一致。X射线衍射（XRD）进一步证实了相应物相。
电动汽车模组的机械粉碎与分离： 通过比较两条工艺路线，路线EV I（依次进行粉碎、初始圆形筛网振动、23 Hz和55 Hz之字形气流分离、最终圆形筛网振动）实现了93.28（±4.05）wt%的黑粉分离效率，优于路线EV II的83.53（±3.63）wt%。初始筛分步骤在物料进入气流分级器之前即回收了总黑粉的96.2 wt%。
手机电芯的机械粉碎与分离： 路线MP I（依次粉碎、粗筛、两级气流分级）实现了75.77（±4.20）wt%的分离效率，优于路线MP II的59.31（±7.62）wt%。初始筛分回收了总黑粉的89.1 wt%。手机电池黑粉分离效率低于电动汽车电池，可能归因于阴极片组成差异（包括粘结剂类型和组分比例）。
分离黑粉的组成、结构与质量表征： 电动汽车路线EV I黑粉的ICP-OES元素分析约为3.91 wt% Li、15.02 wt% Ni、6.01 wt% Mn、7.41 wt% Co和53.7 wt% C；手机路线MP I黑粉约为4.32 wt% Li、30.95 wt% Co和49.90 wt% C。两种构型的集流体杂质（残余Al和Cu碎屑）均控制在痕量水平：电动汽车路线低于1 wt%，手机路线为0.72 wt% Al/1.01 wt% Cu。XRD分析确认机械分选过程中未发生相变或降解。
技术经济评估： 电动汽车路线直接可变加工成本为0.11美元/千克，手机路线为0.53美元/千克（主要因NaCl盐溶液放电产生0.30美元/千克的危险废物处置费）。加上0.20美元/千克的固定间接费用后，满载加工成本分别为0.31美元/千克和0.73美元/千克。在零原料获取成本基线情景下，电动汽车模组净利润为6.89美元/千克，手机电芯为8.23美元/千克。在门控费模式（Scenario A，欧洲EPR安排，每千克支付2.00–3.00美元）下，净利润升至8.89–9.89美元/千克和10.23–11.23美元/千克。在原料采购模式（Scenario B，亚洲市场）下，按NCM废料2.50美元/千克和LCO废料2.70美元/千克的采购价计算，净利润分别为4.39美元/千克和5.53美元/千克。蒙特卡洛敏感性分析显示，在五项变量综合不确定下，中位净利润为4.97美元/千克（EV）和6.28美元/千克（MP），亏损概率为0.2%（EV）和<0.1%（MP）。
生命周期分析： 路线EV I的全球变暖潜势为0.210 kg CO2当量/千克输入，路线MP I为0.241 kg CO2当量/千克输入，主要受相似的电力消耗（0.236 kWh和0.271 kWh）驱动。将工艺转移至低碳电网可将GWP降低62.8%。考虑废物处理情景后，手机路线的环境影响显著增加，主要归因于NaCl废液的处理。若废液重复使用一次，环境影响可降低约45%，重复使用两次可降低60%。
四、讨论与结论
研究指出，机器人自动化应从根本上重新定义报废电池拆解的第一步，以保障工人安全并提高效率。进一步提升黑粉分离效率的关键在于破坏或去除聚合物粘结剂，例如实施涉及热解（约150°C–700°C）的预处理步骤。筛分阶段可通过优化振动频率、增大筛径和降低进料速率来改进。此外，应重视隔膜、铝和铜等其他组分的回收利用，例如采用涡流分离技术。
研究结论表明，路线EV I对电动汽车电池实现了93.28（±4.05）wt%的黑粉分离效率，路线MP I对手机电池实现了75.77（±4.20）wt%的分离效率。经济分析显示两条路线均具有显著基线盈利能力：零原料获取成本假设下，电动汽车模组净利润率为收入的95.7%，手机电芯为91.9%；绝对值上手机路线每千克原料产生更高利润（8.23美元/千克对比6.89美元/千克）。在现实开放市场原料采购价格下，两条路线仍保持盈利，分别为4.39美元/千克（EV）和5.53美元/千克（MP）。该研究建立了同一物理流程应用于两种结构迥异原料的完整配对技术经济和生命周期基准，为新兴回收路线的对标和循环电池供应链建设提供了关键参考。
