廢舊動力電池回收利用研究進展及展望

王晨，江婷鈺，江博新

（1.中再資源環(huán)境股份有限公司，北京 100052；2.中再資源再生開發(fā)有限公司，北京 100052；3.東方園林股份有限公司·環(huán)保集團，北京 100015）

近年來，我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，在新能源汽車產(chǎn)業(yè)的帶動下，動力電池產(chǎn)銷量也呈現(xiàn)逐年攀升的趨勢。僅2009—2012年3年里，我國新能源汽車銷售量達(dá)1.7萬輛，配置約1.2 GWh的動力電池。截至2017年底，我國新能源汽車?yán)塾嬩N售已高達(dá)180萬輛，配置動力電池約86.9 GWh。2017年1月，工信部牽頭編制的《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》，明確提出到2020年我國新能源汽車年產(chǎn)量將達(dá)到200萬輛，到2025年，新能源汽車占全國汽車總銷售量的20%以上。據(jù)專家綜合測算，新能源汽車動力電池平均壽命3～6年，隨著動力電池陸續(xù)規(guī)?；艘?，2018年將開始爆發(fā)廢舊動力電池退役潮，預(yù)計到2020年，我國報廢電池累計量將超過24.6 GWh（20萬t）。

1 動力電池回收的意義

1.1 節(jié)約資源

從資源角度，以鈷資源為例，據(jù)統(tǒng)計，目前全球約15萬t鈷資源產(chǎn)出，其中80%源于廢舊材料回收，我國95%的鈷資源依靠進口。當(dāng)前，我國電池用鈷已占總用鈷量的70%，在現(xiàn)有水平下，到2020年，隨著新能源汽車的發(fā)展，我國鈷資源的供需矛盾將更加突出。

1.2 保護環(huán)境

從環(huán)境角度，電池含有鈷、鎳等金屬離子，氟化物電解質(zhì)以及塑料隔膜、絕緣橡膠套等污染物，這些污染物一旦進入環(huán)境可能造成比較嚴(yán)重的污染，而且也可能會對人的健康造成直接或間接的危害。例如，氟化物可損害骨骼致使自發(fā)性骨折，也可刺激呼吸系統(tǒng)引發(fā)鼻炎等病癥；金屬鈷可能刺激消化系統(tǒng)，引起胃腸受刺激，伴隨嘔吐、腹痛等癥狀。

1.3 創(chuàng)造效益

生產(chǎn)動力電池的原料包括大量的有價金屬。動力電池報廢后其原料組分并沒減少或消失，其中潛在價值比較高的是鋰、鈷、鎳、錳等金屬。將廢舊動力電池潛在價值比較高的金屬進行提取、提純后再利用，已成為規(guī)避電池生產(chǎn)上游由鈷、鋰、鎳、錳等原材料稀缺引起價格波動風(fēng)險的重要途徑。據(jù)中國汽車技術(shù)中心預(yù)測，從廢舊動力電池中回收鋰、鈷、鎳、錳及鐵等金屬所創(chuàng)造的市場規(guī)模將在2018年達(dá)到52億元，2020年高達(dá)136億元，這將成為創(chuàng)造收入和縮減成本的一個重要來源，經(jīng)濟效益非常顯著。

2 動力電池回收利用技術(shù)

2.1 梯次利用

當(dāng)前，國內(nèi)外動力電池梯次利用的主要應(yīng)用領(lǐng)域為分布式發(fā)電的儲能系統(tǒng)。例如豐田，通過測試，使用一個可以在分布式儲能電池系統(tǒng)中使用的電池級聯(lián)，一方面可用來穩(wěn)定風(fēng)能、太陽能等不持續(xù)、不穩(wěn)定能源發(fā)電的輸出功率，另一方面可應(yīng)用于微電網(wǎng)，以降低峰值并填充山谷，減輕用電負(fù)荷供需矛盾。

但動力電池梯次利用有一個很大的問題——電池一致性。電池的容量、自放電等參數(shù)都會影響電池的一致性，同時在電池使用過程中PACK技術(shù)的不同，也會造成電池參數(shù)不一樣。動力電池存在一致性差異，梯次利用的可靠性降低，都會造成維護和利用成本增加。

解決此問題的方法就是電動汽車電池標(biāo)準(zhǔn)化。隨著GB/T 34013《電動汽車用動力蓄電池產(chǎn)品規(guī)格尺寸》、GB/T 34014《汽車動力蓄電池編碼規(guī)則》、GB/T 34015《車用動力電池回收利用余能檢測》等電池回收利用系列標(biāo)準(zhǔn)的實施，動力電池梯次利用的規(guī)模化應(yīng)用將逐漸顯現(xiàn)。

2.2 資源化回收

2.2.1 干法回收技術(shù)

干法回收是指不使用任何溶液等介質(zhì)，直接將鈷、鋰等金屬從廢舊動力電池中分離的回收方法，主要有物理機械分選法、高溫?zé)峤夥ǎɑ鸱ǎ┖驼婵諢峤夥?種。

（1）物理機械分選法。物理分選法是指利用機械的方法將電池拆解分離后，利用不同電池原料物理性質(zhì)的差異，經(jīng)破碎、過篩、磁選、精細(xì)粉碎和分類等方法，實現(xiàn)不同組分分離。常用于電池回收的預(yù)處理。

（2）高溫?zé)峤夥ǎɑ鸱ǎ?。高溫?zé)峤獠粌H可以分解去除粘結(jié)劑，還可利用不同金屬熔沸點的差異將其分離，或?qū)﹄姵匾睙?，回收鉛、鐵等金屬和鎳鐵、鉛銻等合金。電池中的金屬經(jīng)氧化還原被分解，進而形成蒸汽揮發(fā)，通過冷凝將其收集。鎳氫電池火法處理詳見圖1。

圖1 火法回收鎳氫電池

（3）真空熱解法。真空熱解是利用真空焙燒的方法，使鋰電池有機物和粘結(jié)劑揮發(fā)或分解，控制時間和壓強，可以將組分為LiCoO2和CoO的陰極粉末完全從鋁箔上剝離，離開反應(yīng)器后，揮發(fā)物進入冷凝器冷凝，不可冷凝的氣體由真空泵提取，最后由集氣罩收集。該方法雖然工藝簡單，但耗能較高，處理過程可能逸散有毒氣體，容易造成環(huán)境二次污染。

2.2.2 濕法回收技術(shù)

濕法是以各種酸、堿性溶液為介質(zhì)浸泡電池，將有價金屬離子從電極材料中浸出到介質(zhì)溶液中，再通過離子交換、吸附、富集等方法，將金屬離子以鹽、氧化物、金屬單質(zhì)等形式從溶液中提取出來。濕法回收技術(shù)環(huán)境風(fēng)險大，但濕法工藝較易實現(xiàn)連續(xù)化和自動化且有價金屬的綜合回收率較高。濕法回收鋰電池的工藝流程見圖2。

圖2 濕法回收鋰電池的原則工藝流程

2.3 其他處理方法

（1）超臨界CO2萃取法。超臨界CO2流體萃取的原理是壓力和溫度的差異影響超臨界CO2的溶解力。將廢舊電池置于超臨界反應(yīng)釜中，使待分離的電池與超臨界CO2充分接觸，根據(jù)電池成分極性、熔沸點和分子量的差異，將電解液選擇性地萃取出來。此方法適用于收集廢舊電池的電解液，但工作環(huán)境要求高，處理費用高。

（2）離子交換法。離子交換樹脂對不同金屬離子絡(luò)合物具有不同的吸附系數(shù)，呈現(xiàn)出對金屬的選擇性。電池破碎初步分選后，通過離子交換作用，從含多種有價金屬的溶液中吸附一種，最終實現(xiàn)電池不同金屬的分離提純。該方法工藝簡單，易于操作。

（3）生物回收技術(shù)。生物回收技術(shù)是利用某些特定微生物的自然代謝作用，將電池的成分（例如金屬）轉(zhuǎn)化為可溶性物質(zhì)，溶解到介質(zhì)溶液中。進而從溶液中分離、提純有價物質(zhì)，實現(xiàn)目標(biāo)成分的分離，可用于回收鈷、鋰等有價金屬。該方法工藝簡單，成本低，對設(shè)備要求簡單，但處理周期長，效率低。該應(yīng)用技術(shù)的研究尚在探索階段，還有許多難題需要攻克，是未來電池回收技術(shù)發(fā)展的理想方向。

3 廢舊電池回收行業(yè)發(fā)展前景及建議

3.1 動力電池回收利用發(fā)展前景

我國動力電池回收在產(chǎn)業(yè)、市場和政策方面已經(jīng)呈現(xiàn)了廣闊的發(fā)展空間。從動力電池再生利用的布局主體上看，資源、材料、電池、新能源汽車等動力電池產(chǎn)業(yè)鏈上下游相關(guān)企業(yè)，均在積極開展電池再生利用的布局，我國基本形成了動力電池系、鋰電池系、第三方機構(gòu)三足鼎立的雛形，龍頭骨干企業(yè)和一些新興企業(yè)正在加速發(fā)展。在商業(yè)模式上，基本形成先梯次利用后再生利用，以電池材料廠為核心構(gòu)建包括整車廠、電池廠在內(nèi)的生態(tài)合作圈，盡可能提高資源利用率。

在政策上，我國動力電池的標(biāo)準(zhǔn)體系正在不斷完善（表1），僅2017年就出臺了電池規(guī)格尺寸、編碼制度和拆解規(guī)范等相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，2018年七部委聯(lián)合發(fā)布了《新能源汽車動力蓄電池回收利用管理暫行辦法》，為動力電池的梯次利用提供了有力支撐。隨著一系列制度的實施及技術(shù)的進步，動力電池梯次利用及回收處理將得到爆發(fā)式的發(fā)展。

表1 動力電池回收利用相關(guān)政策

3.2 動力電池回收行業(yè)發(fā)展建議

3.2.1 落實生產(chǎn)者責(zé)任延伸制度

七部委印發(fā)的《新能源汽車動力蓄電池回收利用管理暫行辦法》（工信部聯(lián)節(jié)［2018］43號）指出，新能源汽車生產(chǎn)企業(yè)、電池生產(chǎn)企業(yè)、報廢汽車回收拆解企業(yè)均應(yīng)開展對動力電池回收利用的工作。新能源汽車生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)主動承擔(dān)回收方面主體責(zé)任，報廢汽車回收拆解企業(yè)應(yīng)承擔(dān)電池拆解方面的主要責(zé)任，其他相關(guān)企業(yè)在電池使用和回收處置過程中也應(yīng)履行相應(yīng)責(zé)任，共同保障動力電池的有效利用和環(huán)保處置。

3.2.2 政府引導(dǎo)與市場相結(jié)合

政府引導(dǎo)鼓勵電池生產(chǎn)企業(yè)、汽車生產(chǎn)企業(yè)、報廢汽車回收拆解企業(yè)與綜合利用企業(yè)等，構(gòu)建多種形式的生態(tài)合作關(guān)系，共同建設(shè)、使用廢舊動力電池回收渠道。鼓勵拆解處理企業(yè)與電池生產(chǎn)企業(yè)合作，攜手開展動力電池回收處置的科學(xué)技術(shù)研究，引導(dǎo)產(chǎn)學(xué)研一體化協(xié)作，推動動力電池回收利用模式創(chuàng)新。鼓勵汽車生產(chǎn)企業(yè)與報廢汽車回收拆解企業(yè)建立深度合作關(guān)系，共享動力電池拆解和貯存技術(shù)、連通報廢汽車回收網(wǎng)點以及報廢汽車回收等信息。

在政府鼓勵和引導(dǎo)下，實現(xiàn)政策與市場有機結(jié)合，以企業(yè)為主體，推動廢舊動力電池處理行業(yè)實現(xiàn)專業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化。

3.2.3 設(shè)立廢舊動力電池回收處理基金

政府在發(fā)揮各相關(guān)部門監(jiān)管職能的同時，加強市場與陸續(xù)出臺的新能源汽車及動力電池回收等相關(guān)政策的銜接，在研究財稅、環(huán)保、科技等支持政策的基礎(chǔ)上，加快推進廢舊動力電池回收處理基金的設(shè)立。該基金的設(shè)立，一方面能鼓勵企業(yè)積極研發(fā)更環(huán)保的動力電池，進而加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式，促進可持續(xù)發(fā)展體制機制的形成。另一方面，激發(fā)鼓勵企業(yè)對廢舊電池回收處理技術(shù)的研究，加快廢舊動力電池回收處理向?qū)I(yè)化、規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化發(fā)展，同時提升行業(yè)技術(shù)及裝備水平，推動淘汰落后廢舊動力電池回收處理企業(yè)，進而達(dá)到環(huán)境保護和資源再利用的目的。

廢棄產(chǎn)品回收處理基金制度在我國已經(jīng)發(fā)展成熟。例如2011年施行的《廢棄電器電子產(chǎn)品回收處理管理條例》，建立了基于生產(chǎn)者責(zé)任延伸原則的廢棄電器電子產(chǎn)品處理基金制度。該制度的實施，有力地促進了中國廢家電處理產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，顯著提高了管理水平及資源和環(huán)境效益，為廢舊動力電池回收處理行業(yè)起到了良好的標(biāo)桿示范作用。