林欣蓉、吳笙卉、闕銘宏、謝少棟、李佳慈 / 工研院材化所
歐盟新《電池法》於2023年8月17日正式生效。為了完整利用珍貴資源，避免廢電池污染，法案將針對在歐洲銷售或流通的電池生產、使用、回收之全生命週期進行監管，涵蓋了電池分類、碳足跡、電化學性能和耐久性、電池設計、回收利用等方面的規範，對於電池重要原料的回收比例也有相關要求。因此，工研院材化所逐步建立磷酸鋰鐵電池高值循環技術與電化學及材料分析測試驗證程序，透過計畫所開發之低碳高值循環技術，可回復有效電容量高於90%；同時針對不同廢鋰電池回收模式進行環境效益與減碳效益評估；並建置電池影像辨識系統，利用AI模型技術，依據所建立之資料庫對不同廠牌電池進行初步光學選別之訓練，將電池辨識度提升，有助於提高後端回收處理程序之效率。
【內文精選】
廢電池低碳回收模式
廢電池入料種類可區分為鋰鈷、鋰鐵、鋰三元等廢鋰電池以及鎳氫電池，其他電池或電子產品也可作為回收(Recycling)程序的入料品，近期也有針對電池製造所產生的邊料(或俗稱邊角料)進行回收。
根據文獻，分別以直接回收、濕法回收及火法回收每公斤鋰鐵電池所需要的成本及收益整理如圖一。結果顯示，直接回收所需的成本最低，約每公斤2.1美元，且由於產物為磷酸鐵鋰正極材料，因此收益總額每公斤3.2美元為最高；而火法相較於濕法回收成本高(火法冶金每公斤3.4美元、濕法冶金每公斤2.4美元)，主要為建廠所需成本占最大宗，且總收益最低，每公斤僅0.8美元，火法及濕法的收益主要來自銅金屬回收。然而直接回收程序為研發初期階段，目前市面尚無量產化設備，且無法一次處理大量廢棄電池，需要分選前置作業，若前端電池分選效率不佳，將影響後端再生料品質，導致無法回用，因此目前全球回收大廠仍以濕法搭配火法進行大批電池的回收製程。
圖一、火法、濕法、直接回收成本比較
工研院材料與化工研究所藉由統整鋰鐵正極材料回收技術研究及專利，建立獨創正極低碳(Low-carbon)高值循環再利用技術，完成回收製程設計，開發鋰鐵正極材料低碳高值循環再利用技術，可有效分離正極材料、碳黑、塑料、鋁等雜質，同時建立從混漿、塗佈、乾燥、輾壓、裁切製程至電池組裝與測試驗證之正極再生料電池測試驗證程序。將透過低碳高值循環再利用技術取得之再生料進行一系列材料檢測分析，包含利用X光繞射儀(XRD)進行正極材料結構分析、感應耦合電漿光學發射光譜法(ICP-OES)進行正極材料元素全頻譜分析、掃描式電子顯微鏡(SEM)與粒徑分布(PSD)進行粉體形貌與粒徑鑑定，測試結果得知再生料粉體結構維持完整，且有效降低碳、鋁雜質含量，並通過電性測試，克電容量可回復90%以上。
回收環境效益與減碳效益評估
1. 廢鋰電池再生料碳足跡計算流程
鋰電池歷經消費者使用後廢棄，部分經由回收處理體系進入廢鋰電池回收處理廠產出再生料，經過精煉、純化，製成再生材料，可被利用於工業生產。為了評估目前廢鋰電池回收處理對於達成淨零碳排，減緩全球暖化的效益，本計畫將計算的環境衝擊指標限定為單一的氣候變遷指標—碳足跡(Carbon Footprint)，以kg CO2-eq為單位。依據盤查廢鋰電池回收處理廠的活動數據，計算再生料產出過程的碳足跡，作為推動再生料高值化的參考依據。
智慧化電池分選系統
2. 鋰電池光學辨識與分選處理設備建立
先期研究中已初步建立鋰電池主要廠商數據資料庫，搭配AI訓練模型結合光學辨識系統搭建出簡易電池篩選設備，透過機構演算法可調控氣流及輸送帶速度，以提高分選機台分選精確度。計畫中已建置小型本土化鋰電池光學辨識與分選處理設備，如圖八，透過擷取辨認廢電池外觀特徵，並建立大數據資料庫獲知其電池材料基因資訊，以AI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。除針對目前市面上已經存在的廢電池進行外觀擷取與特徵辨認，亦可利用電池包裝條碼或二維條碼導入AI智慧化分檢，於硬體加速平台上推論分類電池種類，對於未來即將出現的新款電池也具備自動學習的能力，逐步完善AI智慧化分檢資料庫 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖八、電池辨識系統之顏色判讀畫面
★本文節錄自《工業材料雜誌》451期，更多資料請見下方附檔。