Recycling of Rechargeable Batteries: Insights from a Bibliometrics‐Based Analysis of Emerging Publishing and Research Trends

Abstract

Recycling rechargeable batteries while addressing environmental burden requires the conversion to scrap materials into high added‐value products. Statistical analysis can help to understand hot spots and difficulties in recycling technologies, to develop breakthrough recycling technologies. Herein, a bibliometrics‐based analysis is applied to mine the patents and scientific literature from 1999 to 2020 and identifies the research trends of rechargeable battery recycling globally. The investigations demonstrate that the recycling of batteries experiences three important stages. Lithium‐ion batteries (LIBs) recycling has dominated the number of patent applications and articles published, followed by lead‐acid batteries, nickel–metal hydride (Ni‐MH) batteries, and nickel–cadmium (Ni–Cd) batteries. Recycling enterprises have more distributed over patents, while universities or research institutions contribute more to literary publications. Technology distribution of electrical/metallurgy/chemistry/environmental protection and other fields, with strong interdisciplinary characteristics, occurs. With the countries from the policy aspect of strict control of environmental protection and the improvement on resource demands, recycling technology still has great room for improvements. Industrial policies, especially pollution prevention norms, and standards provide important support for the research and application of related technologies. The “5M” and “3S” principles should be implemented in technology and policy for next‐generation recycling technology, respectively.

Carbon neutrality strategies for sustainable batteries: from structure, recycling, and properties to applications

“…The objective of this phase was to effectively extract valuable metal ions, while using only a few recycling methods. 12 From 2009-2018, with the emphasis on environmental protection, green and environmentally friendly technologies were pursued to efficiently recycle key materials. After 2018, the recycling of key materials also aimed to enable the further high-value utilization of recycled products.…”

A review and prospect of research on carbon emissions from the critical metal industry chain under clean energy transition

“…最为缺乏但碳减排潜力最大的路径选择 [101,102] ， 人工 智能和数字技术在很大程度上为智慧采选矿等低 图 6 关键金属产业链碳排放趋势研判的方法框架 艺并推广先进熔炼技术是火法炼铜环节碳减排的 关键所在 [28,105] ； 烧结拜耳系列工艺和改进拜耳工艺 替代石灰碱烧结矿工艺可以有效减少铝冶炼环节 6%的碳排放 [106] 。关于火法冶金和湿法冶金两条技 术路线的环境影响， 不同学者得出了差异性的结 论。Kuipers 等 [42] 和 Azadi 等 [107] 研究显示相较于火法 冶金方式， 湿法冶金技术路线下铜生产带来的环境 影响更小， Harpprecht 等 [108] 则发现随着湿法冶金市 场份额提高， 铜冶炼的温室气体排放会持续增加。 现有研究结论不同主要是因为相关研究对系统边 界的定义存在差异性。Yang 等 [109] 进一步比较了堆 浸出和堆搅拌浸出两条湿法冶金技术路线下铜冶 炼过程的环境影响， 研究发现堆搅拌浸出方式更环 保， 为企业的技术路线选择提供了参考。 针对使用环节， 现有技术改良和新兴技术迭代 是从源头上削减关键金属需求， 进而降低产业链碳 排放的根本路径。现有技术改良是一种渐进式的 技术创新， 主要通过降低终端产品的金属使用强度 减少关键金属需求。多种太阳能薄膜电池技术同 步渗透和铜铟镓硒电池技术进步降低了关键金属 铟和镓的使用强度 [12,34,110] ； 相比于齿轮式永磁发电 机， 直驱式永磁发电机的稀土元素使用强度大幅 降低 [8] ； 镍锰钴三元锂电池中镍锰钴比例从 1:1:1 向 6:2:2、 8:1:1 和 9:0.5:0.5 转变， 大大降低了关键金属 钴的使用强度 [3][4][5][6] ， 在一定程度上缓解了清洁能源技 术领域关键金属需求激增的态势。新兴技术迭代 则是一种突破式技术创新， 直接导致关键金属需求 曲线发生突变。磷酸铁锂、 固态电池、 锂硫电池和 锂空气电池等下一代无钴电池化学技术的诞生和 迭代将彻底扭转动力电池领域钴需求呈指数级增 长的局面 [3][4][5] ； 过氧化钠电池一旦突破技术瓶颈， 钠 将大规模替代关键金属锂 [22,111] 。尽管现有技术改良 和新兴技术迭代是最具前景的关键金属需求缓解 策略， 但很有可能导致环境负担转移， 例如， 镍锰钴 三元锂电池技术改良和过氧化钠电池技术突破在 图 7 清洁能源转型下关键金属产业链碳减排路径 应充分考虑金属可重用性、 可修复性、 再制造潜力 和可回收性 [20] 。Schafer 等 [112] 及 Wang 等 [113] 研究发现 如果合金废料中的金属浓度过低， 金属回收过程将 产生比初级生产过程更多的温室气体， 应尽可能避 免在合金中使用低浓度关键金属， 如果不可避免， 则应在设计阶段着重考虑金属的可识别性 [114] 。为 此， 多国引入了生产者责任延伸制度， 规定生产者 对产品的整个生命周期负责， 为生产者加强产品可 持续性设计提供内生动力 [22] 。构建 "前端源头分类、 中端智慧清运、 后端精细分拣、 末端资源利用" 的回 收管理体系将进一步促进关键金属高效回收 [115] ， 而 这亟需政府联合企业共同布局全新的商业运作模 式并落实回收基础设施建设 [5,62,[116][117][118] 。循环回收技 术革新是指通过开发前沿的循环回收技术提高回 收利用率， 在增加再生金属供给的同时减少原生金 属需求， 促进关键金属产业链低碳发展。电池低负 荷技术和催化转化器分离技术将有效提高燃料电 池中铂族金属的可回收程度 [13] ； 离子交换和溶剂萃 取的组合方法可以将废旧电池中基础元素和稀土 元素完全分离， 有利于回收具有高附加值的关键金 属 [119] ； Lin 等 [120] 研究...…”