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鋰離子電池（Lithium-ion battery）是目前最廣為使用的二次電池系統，自日本新力公司（Sony）於1990年成功商業化發展以來，已用於3C產品、電動車、儲能等市場，造就巨大成功；鋰離子電池的科學原理來自於電化學的氧化還原反應，在鋰金屬氧化物正極（陰極）材料與石墨負極（陽極）材料之間，藉由鋰離子傳遞來達到產生能量的充放電作用。時至今日，電池的能量密度已經可以達到250∼300Wh/kg，且為了降低對鈷元素的依賴與整體電池成本，目前正極材料已改為鎳鈷錳酸鋰（LiNi_xMn_yCo_zO₂, NMC）或是磷酸鋰鐵（LiFePO₄, LFP）為主。

根據麥肯錫管理諮詢公司（McKinsey & Company）的研究報告指出，預計到2030年，全球對鋰電池的需求將增長30％左右，約莫每年4500千兆瓦時（GWh）。鋰離子電池不僅使用於一般3C電子用品上，隨著車用、電動工具、不斷電儲能設備以及更多樣化的通訊電子零件等市場蓬勃發展，整體產值以每年超過15％往上攀升。近期，特別是用在電動車的鋰離子電池需求也大幅上升，全球電動巴士在2020年的市場銷量與需求已達11萬3800 輛與2萬2207兆瓦時（MWh），未來發展更是可期。

但是鋰離子電池所需的金屬原料鈷和鎳蘊藏量相當有限，在高需求下，價格自然昂貴許多。鈷的每噸成本約為2萬7000美元，鎳的每噸成本約為1萬美元，昂貴的成本也是鋰離子電池要降低售價的阻礙。除電動車之外，其他電子產品對鈷的需求也不斷增加（目前全球生產的鈷只有一半進入了電池材料市場）。除價格外，材料的可獲得性將愈來愈關鍵。因此，為避免原物料供需失衡、降低成本造成波動，便有必要將鋰離子電池的正極材料循環回收再利用。再者，全球每年所廢棄的鋰離子電池逐步上升，預估在2030年時，將可達到1100萬噸的廢棄量，這會對地球環境與生活品質產生非常嚴重的威脅。近期，美國總統川普（Donald Trump）更是針對地緣政治影響下的礦產取得表明勢在必得的態度，這包括鋰礦與稀土等電池用的必須原料。

鋰離子電池內的鈷、鎳、鋰等金屬元素是目前地球蘊藏資源中較為罕見的礦產，因此若能夠重複使用廢棄鋰離子電池裡的重要原料，並重製為新的電池，將對市場、環境以及政策有極大幫助。

廢棄鋰離子電池處理程序與所遭遇的問題

目前現階段主流的廢棄鋰離子電池回收技術為「冶金法」，分為火法冶金（pyrometallurgical）和濕法冶金（hydrometallurgical）。火法冶金是將廢棄鋰離子電池拆解之後，經精密分離取得黑粉，再將黑粉投入達1500℃高溫的爐箱中鍛燒成合金，其中的金屬物質包括鎳、銅、鈷與鐵等材料再透過硫酸等強酸瀝出，最終形成相關金屬鹽類加以收集。而爐底的礦渣會包含鋰、鋁、矽、鈣、鐵以及少量錳材料，在考量成本下僅回收鋰跟鋁。火法冶金是目前較為普遍的回收方式，但並不適用於磷酸鋰鐵電池，原因是鐵金屬的價格低廉，回收不符成本。目前鈷酸鋰的價格每磅為美金12∼16元，相當於每公斤約26∼35美元，而這其中所回收的鈷金屬價格將可以達到每磅為美金8.3元，每公斤約18美元，實屬非常好的商業利益。然而，磷酸鋰鐵的價格每磅為美金9元，約為每公斤20美元；但是鐵金屬回收每磅僅美金0.7元，即每公斤1.5美元，成本和後續收益不符合比例原則。這也是為什麼現階段冶金法僅用於一般鈷酸鋰或是鎳鈷錳酸鋰材料的鋰離子電池系統回收。

有鑑於火法冶金回收金屬的製程較為耗能，回收過程具有較高的碳排放以及高成本，濕法冶金逐漸受到眾人的矚目。濕法冶金主要分為三步驟，首先使用高濃度鹽水放電，之後粉碎電池將黑粉投放入高溫爐，以800℃左右的溫度去除材料中的水分和黏結劑。第二步為使用酸性或鹼性水溶液甚至微生物，將正極材料中的鈷、鎳、鋰、鋁等金屬離子浸出至水溶液。酸性水溶液有較高的浸出效率，鹽酸、硫酸及硝酸都是常用的酸液。選擇適當的水溶液濃度、反應時間、環境溫度等參數可提高浸出效率，接著再進行溶液的濃縮。第三步是加入沉澱劑或配位體（ligand），逐步讓金屬以氧化物或是鹽類的方式析出。

然而，現階段處理廢棄電池的程序會產生各種汙水，因此有必要再進一步開發高環保、低成本的回收技術，以利環境永續。總而言之，鋰離子電池內具高經濟價值的物質很多，並非僅是金屬回收，目前亦有許多石墨、塑膠回收的議題正在討論，整體仍需考量商業規模與成本。

城市礦產與國家安全性的連結

「城市礦產」一詞，在1980年代由日本東北大學（Tohoku University）教授南條道夫所提倡，意思是將城市中廢棄的各種民生物品視為可以再重複利用、再生的礦產，減少新礦產的開發，增加現有資源的再利用。根據初步估算，光日本城市內所儲存的金礦就可以達到6800公噸，已達全球蘊藏量的16％。也因此城市礦產資源，有機會成為各個國家的戰略項目。

臺灣四面環海且天然礦產資源並不豐富，因此「城市礦產」會是值得多加發展的項目。根據行政院環境部過去推動的計畫，像是資源回收四合一制度等，整體而言都已獲得非常不錯的成果。而目前針對臺灣對於鈷、鎳、錳、鋰、鋁、石墨等天然資料缺乏的現況，廢棄鋰離子電池的回收再利用有機會成為連結、支援國家安全的重要基礎。

目前的全球政經態勢，美國在川普回歸總統之位後，對於進口鋼材與鋁都提高課徵關稅25％，後續也將針對半導體產品進行相對應的關稅措施；再者，中國對於石墨的管制出口等政策，在在彰顯了一個國家必須擁有自有資源的重要性。廢棄鋰離子電池內部所擁有的材料，例如鋰、鈷、鎳、鋰、鋁、銅與石墨等都是臺灣天然資源所缺乏的，因此目前筆者已與環境部等部會、國內外業者討論研擬廢棄電池或黑粉的出口管制，以及在臺灣建立可自主提煉前述重金屬與材料的可能性，期待在全球競爭的新世代威脅環繞之下，能透過技術發展進一步找到突破困境的缺口。

廢棄鋰離子電池所對應的高環保性回收技術與能源效率

依據前述介紹，鋰離子電池正極的材料主要分為磷酸鋰鐵以及鎳鈷錳酸鋰等兩種，回收方式有所不同。所以從開始的黑粉回收與後續精煉的階段都有必要清楚分別，以利濕式化學程序的應用與整體最終成本評估。筆者所主持的臺科大研究團隊研究成果更顯示，考量到有效提升整體回收效率、保持高環保綠色化學反應性以及提取特定貴重金屬的高選擇性，廢棄鋰離子電池分類必須再切分為磷酸鋰鐵、鎳鈷錳酸鋰以及鎳鈷鋁酸鋰（LiNi_xCo_yAl_zO₂, NCA）等三種。

目前知名車商特斯拉（Tesla）、睿能創意（Gogoro）等都因為電池能量密度的考量，而使用鎳鈷鋁酸鋰作為鋰離子電池的正極材料，鎳鈷錳酸鋰則大部分是屬於3C應用的範疇。從臺科大的研究結果指出，根據不同的電池分類，以同一種濕式法回收鋰元素，成果可能差異很大，例如鎳鈷錳酸鋰材料的差異可達約82％，鎳鈷鋁酸鋰材料則僅約10％。另外，以濕式法回收鎳元素，相較於傳統純酸液（acid solvent），使用深共熔溶劑（deep eutectic solvent , DES）於鎳鈷錳酸鋰材料可以萃取純度接近100％的鎳與鈷元素，且萃取率可達到80％以上。而深共熔溶劑為非毒性、非揮發性且使用膽鹼為基底，可重複被利用，將有機會成為下一世代高環保性綠色化學製程的利器。

回收程序的設計除了重視反應效率與高選擇性之外，另一重點是能源效率對應的成本評估，例如反應過程中的耗電、耗材、人事設備費用等總花費是否有商業營運的價值。因此成本將會是回收廢棄鋰離子電池最受產業挑戰的部分，畢竟貴重金屬物質在期貨市場價格的波動，將是主導此回收產業是否能成功的重要關鍵之一。

鋰電池回收與掌握自主資源的重要性

鋰離子電池市場可預期將隨著電動車與儲能需求上升而持續蓬勃發展，對應的是廢棄量劇增將對未來環境帶來巨大負擔。加上全球市場壁壘與國際政經關係的複雜考量下，擁有資源的高度自主性將會是國家安全的必要條件。然而也不能忽略廢棄鋰離子電池的回收需考量諸多因素，例如政策對策的研擬、歐盟《電池法》（Batteries Regulation）的觀察與法規研究、高環保性回收技術開發以及國家產業的扶植等。今後，在臺灣能源轉型的既定政策導向下，有必要發展鋰離子電池的再回收技術，深化城市礦源與循環經濟的概念，並促進相關產業的技術精進。

延伸閱讀
Breiter, A. et al. (2022). Power spike: How battery makers can respond to surging demand from EVs. Batteriereport, McKinsey & Company.