破解「永續化學物質」難題：科學家找出銷毀電池中PFAS的方法

鋰離子電池早已成為日常生活的一部分。它們為手機、筆記型電腦等小型可充電裝置提供動力，也是電動車得以執行的關鍵。此外，大型的鋰離子電池還能儲存多餘的再生能源，以備後用，助力能源轉型邁向潔淨之路。

澳洲每年產生超過3000公噸的鋰離子電池廢棄物。處理這些廢棄物，無論在技術、經濟還是社會層面，都是一項挑戰。雖然電池回收和建立迴圈經濟存在機會，但也伴隨著風險。

這是因為鋰離子電池含有如PFAS（全氟和多氟烷基物質）等人工合成化學物質。這些化學物質在電池中攜帶鋰離子和電流。一旦釋放到環境中，它們可能會殘留數十年甚至更久，因此被稱為「永續化學物質」。

最近，科學家在鋰離子電池和環境中發現了一種新型的PFAS，稱為bis - FASIs（雙全氟烷基磺醯亞胺的縮寫）。此後，在全球各地的土壤和水中都檢測到了bis - FASIs。它們具有毒性，即使在一個奧運規模的游泳池中滴入一滴，也可能對動物的神經系統造成傷害。目前，科學家對其對人類的可能影響還知之甚少。

鋰離子電池中的bis - FASIs對電池的安全回收或處理構成了重大障礙。幸運的是，我們或許已經找到了解決辦法。

目前，澳洲僅回收約10%的電池廢棄物，其餘的都被送往垃圾掩埋場。然而，垃圾掩埋場最終可能會發生滲漏，這意味著將電池廢棄物掩埋在垃圾場可能會導致土壤和地下水汙染。而且，我們不能將鋰離子電池隨意丟棄在家庭垃圾中，因為它們可能會起火。所以，一旦電池達到使用壽命，我們必須以保護環境和人類健康的方式處理它們。

更重要的是，電池廢棄物具有實際價值。鋰離子電池含有許多有價值的金屬，值得回收。鋰、鈷、銅和鎳都是關鍵且有限的金屬資源，市場需求極高。每公噸鋰離子電池廢棄物中可回收的金屬價值在3000澳元至14000澳元之間。

在澳洲，電池回收首先要經過收集、分類、放電和拆解等步驟，然後再進行金屬回收。金屬回收可以透過機械、高溫、化學或生物方法進行，但這可能會在無意中釋放出bis - FASI，威脅回收工人和環境。

火法冶金是回收鋰離子電池最常用的技術，即透過焚燒電池來回收金屬，bis - FASIs也會在這個過程中被焚燒。然而，PFAS化學物質性質穩定，能夠承受高溫。目前，在鋰離子電池回收中，銷毀PFAS所需的確切溫度仍是最大的未知數。

確定這個溫度是我們研究的重點。我們與美國科羅拉多州立大學的化學教授Anthony Rappé合作，試圖找出能夠有效焚燒bis - FASIs的溫度。但這並不容易，不僅因為處理高溫存在危險，而且焚燒爐內部的情況非常複雜。分子會被撕裂，有些會重新組合成更大的分子，有些則會與燃燒過程中產生的灰燼相互作用，這可能會產生有毒的新物質，並透過煙囪排放到外界空氣中。

更糟糕的是，由於許多bis - FASIs分解產生的物質未知，因此無法測量所有這些物質。為瞭解決這個問題，我們應用量子力學原理，在不進入實驗室的情況下，透過電腦解決了這個問題。電腦可以準確模擬任何分子的行為，包括bis - FASIs。

我們發現，在600°C時，bis - FASI分子開始分解成較小的碎片，但這些碎片仍然是PFAS化學物質，可能比它們的母體化學物質更有害。因此，僅僅煙囪排放中沒有bis - FASIs並不足以證明這個過程是安全的。要將bis - FASIs完全分解成無害產物，需要1000°C及以上的更高溫度。這可能比目前各個設施使用的溫度要高得多。

基於這些發現，我們建立了一個創新模型，指導回收商在金屬回收過程中如何使用足夠高的溫度來銷毀bis - FASIs。我們的研究成果發表在《環境科學與技術快報》期刊上。

目前，我們正在與高溫金屬回收和焚燒廠的運營商合作，使用我們的模型來銷毀電池中的PFAS。回收廠必須使用更高的溫度來避免產生有問題的煙霧，這將需要更多的能源和資金投入。在我們的新指導方案實施後，我們將測試回收的金屬、固體殘留物和廢氣，以確保它們不含PFAS。

雖然我們現在可以解決PFAS問題，但這仍然是一項昂貴的工作。金屬回收過程必須升級，以安全地銷毀bis - FASIs。最終，消費者可能要為此買單。然而，將鋰離子電池廢棄物送往垃圾掩埋場會破壞環境，從長遠來看成本更高。因此，應避免掩埋含有bis - FASI的廢棄物。

顯然，電池回收率必須提高。這就需要每一個人共同努力。未來，製造商應該完全避免在電池中使用「永續化學物質」。開發更安全的替代品是當前可持續電池設計研究的關鍵重點。