三種主要動力電池的循環(huán)利用及環(huán)境保護

任璐

摘? ?要：隨著中國經(jīng)濟近幾十年來的高速發(fā)展，動力電池最近十幾年來在我國迎來了井噴式的發(fā)展。其中，鉛酸電池、磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池因其各自的突出特點在我國動力電池市場上占有主導地位。動力電池均有使用年限，電池報廢后的循環(huán)利用和環(huán)保問題是一個繞不過去的話題，本文在對這三類電池進行分析后，希望國家能對各類電池分類管理，因勢利導，發(fā)揮綜合效益，促進節(jié)能環(huán)保，使我國電池管理進入良性循環(huán)。

關鍵詞：鉛酸電池? 磷酸鐵鋰電池? 三元鋰電池? 循環(huán)利用? 節(jié)能環(huán)保

中圖分類號：TM912.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）07（a）-0091-02

隨著中國經(jīng)濟近幾十年來的高速發(fā)展，動力電池最近十幾年來在我國迎來了井噴式的發(fā)展。最先發(fā)展起來的便是始于19世紀晚期發(fā)明的鉛酸電池，鉛酸電池結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，安全性高，且生產(chǎn)成本低，技術門檻低，極大了滿足了中國老百姓對物美價廉動力電池的需求。在我國，鉛酸電池的產(chǎn)量逐年穩(wěn)步提升，到2018年，我國金屬鉛的產(chǎn)量為462萬t，早已成為全球最大的鉛酸蓄電池生產(chǎn)國和出口國。鉛酸蓄電池一般2年左右報廢。如何將報廢后的鉛酸電池循環(huán)利用就成了一個關系經(jīng)濟效益和環(huán)境治理的重大問題。

磷酸鐵鋰電池作為國家十五計劃的重點科研項目，技術在5年前成熟，加之前幾年國家對新能源汽車的大幅補貼，讓磷酸鐵鋰電池最近幾年贏來了爆發(fā)式的增長。磷酸鐵鋰電池循環(huán)使用次數(shù)約為2000次左右，按照電動汽車正常的使用強度估算，磷酸鐵鋰電池在汽車上大約能使用5年左右的時間。三元鋰電池由于能量密度最高，已經(jīng)開始在小型乘用電動車領域大規(guī)模使用，大有替代磷酸鐵鋰電池的趨勢。三元鋰電池的循環(huán)使用壽命與磷酸鐵鋰循環(huán)使用壽命大體相當，5年左右報廢。隨著以后電動轎車大規(guī)模進入尋常百姓家，鋰電池的循環(huán)利用問題也將成為一個關系經(jīng)濟效益和環(huán)境治理的重大問題。

1? 鉛酸電池

1.1 鉛酸電池特性

鉛酸電池結(jié)構(gòu)簡單，主要由板柵，鉛膏，電解液和外殼組成。其成分組成見表1。

鉛酸電池的優(yōu)點是可靠性好，成本低、瞬間輸出功率大、使用安全、不容易損壞，在儲能電源、起動電源、車載電源等領域仍然應用廣泛;鉛酸電池的缺點是能量密度低，為40Wh/kg，續(xù)航里程短，不適用于高速電動車。鉛酸電池的另一個缺點是循環(huán)使用壽命短，約為500次，正常使用條件下，兩年時間不到便報廢。

鉛酸蓄電池存在的特點決定了它在高速電動車領域沒有使用空間，但在電動自行車、老年代步車、啟動電源、儲能電源等領域仍占主導地位。

1.2 鉛酸電池回收現(xiàn)狀

鉛酸電池結(jié)構(gòu)簡單，回收簡單，且技術含量不高。手工作坊只需要一把錘子，一口鍋就可以回收鉛酸電池。具體過程：先用錘子將鉛酸電池砸破，將里面的酸液倒掉，然后將鉛酸電池中的鉛板取出。由于鉛的熔點低，放在鍋里加熱便會熔解，隨后將融化后的鉛水做成鉛碇。至此，鉛酸電池的回收就完成了。如今這種手工作坊式的回收方法已經(jīng)形成了一條成熟完整的產(chǎn)業(yè)鏈，效率高，收益高。酸液的隨地傾倒，以及鉛酸電池處理過程中產(chǎn)生的大量廢棄物，造成了嚴重的鉛、酸污染。

正規(guī)的鉛酸電池回收企業(yè)處理方式與手工作坊方式類似，區(qū)別在于，對于鉛酸電池中的酸液不會隨地傾倒，而是專門建有酸液處理池，將酸液處理成中性水之后再排出。固體廢棄物也是經(jīng)過處理后再回收利用，最大限度的減少了鉛、酸污染。正規(guī)鉛酸企業(yè)雖然環(huán)境污染小，電池回收利用率高，但是生產(chǎn)成本也高出一大截，無法與手工作坊企業(yè)競爭。在回收市場上，正規(guī)鉛酸回收企業(yè)由于生產(chǎn)成本高，只能壓低廢舊鉛酸電池的回收價格;與此同時，手工作坊式回收企業(yè)由于生產(chǎn)成本低，便可以提高廢舊鉛酸電池的回收價格。消費者自然會選擇愿意出高價回收手工作坊企業(yè)。在鉛酸電池領域就形成了“劣幣驅(qū)逐良幣”的現(xiàn)象。

這種情況如何破解？一是推行生產(chǎn)者責任延伸制度，其核心是通過引導產(chǎn)品生產(chǎn)者承擔產(chǎn)品廢棄后的回收和資源化利用責任，激勵生產(chǎn)者推行產(chǎn)品源頭控制、綠色生產(chǎn)，從而在產(chǎn)品全生命周期中最大限度提升資源利用效率;二是加大政府打擊力度，各部門齊抓共管形成合力打擊黑作坊;三是政府對正規(guī)回收企業(yè)補貼，提高企業(yè)回收廢舊電池的收購價格，返利消費者。

2? 磷酸鐵鋰電池

2.1 磷酸鐵鋰電池特性

磷酸鐵鋰電池正極材料由橄欖石結(jié)構(gòu)的LiFePO4組成，負極由石墨組成，中間是聚烯烴 PP/PE/PP 隔膜，用于隔離正負極、阻止電子而允許鋰離子通過。與三元鋰等其他的動力電池材料比較，磷酸鐵鋰電池有幾大特點：（1）LiFePO4的原物料主要為碳酸鋰和鐵，其資源分布廣泛，價格低廉且無環(huán)境污染;（2）磷酸鐵鋰電池安全性能良好，在高溫、高壓、潮濕、擠壓及穿刺等惡劣條件下均保持了較高的安全性。（3）技術成熟，我國在十五期間將其列為重點科技攻關項目，在此期間，磷酸鐵鋰電池的多項關鍵技術均已取得突破。目前，磷酸鐵鋰電池技術早已成熟，為我國多家大企業(yè)所掌握。

正是由于磷酸鐵鋰電池的以上優(yōu)點，使其前幾年在我國發(fā)展迅猛。目前我國在用的新能源汽車里，以磷酸鐵鋰為動力電池的新能源汽車占比一直在50%以上，其在新能源商務車中的占比更是超過80%以上。但是，隨著新能源汽車最近幾年在我國的高速發(fā)展，磷酸鐵鋰電池的弊端也在顯現(xiàn)，能量密度不夠！目前，磷酸鐵鋰電池的能量密度發(fā)展到140Wh/kg已到極限，無法突破。目前，我國主要的電池廠商均在往三元鋰電池方向轉(zhuǎn)型。

2.2 磷酸鐵鋰電池回收現(xiàn)狀

磷酸鐵鋰電池的循環(huán)使用壽命為2000次左右，在正常使用條件下，可使用5年左右。此時磷酸鐵鋰電池容量已低于80%，不能滿足汽車正常行駛時對電池容量的要求，而電池容量又高于60%，能夠應用于電池容量要求不高的領域[1]，從而形成磷酸鐵鋰電池的梯次利用。

我國前幾年加大對新能源汽車的補貼，使動力電池領域迎來了大發(fā)展，新能源汽車的保有量不斷增加。然而受電池使用壽命的限制，在2012—2014年之間生產(chǎn)的動力電池將會在2018年大范圍失效。磷酸鐵鋰電池容量衰減到80%后，便不適用于在新能源汽車上使用，但仍可在對能量密度要求不高的場景下使用，有較高梯次利用價值。其中，低速電動車和鐵塔基站等行業(yè)有較大的需求。當磷酸鐵鋰電池容量進一步衰減到50%后，其使用價值趨近于零，可對其進行拆卸回收。但是由于磷酸鐵鋰電池中不含貴金屬，其回收利用價值不高，除去人工、設備、能源等成本，拆解回收磷酸鐵鋰電池將會導致少量虧損。

由于磷酸鐵鋰電池組成較鉛酸電池復雜，其拆解回收工藝更為復雜。普通手工作坊不具備拆解回收能力，磷酸鐵鋰電池的回收是一項賠本的買賣。該回收領域只有幾家大企業(yè)，且積極性不高，沒有小企業(yè)愿意涉足。好的方面是，磷酸鐵鋰電池因為本身沒有重金屬，對環(huán)境幾乎無污染，所以不回收，也不會污染環(huán)境。

3 三元鋰電池

3.1 三元鋰電池特性

最初的三元鋰電池正極材料由層狀結(jié)構(gòu)的Li-Ni-Co-Mn-O材料組成，隨著電池技術的不斷發(fā)展，有些廠商在三元材料里用Al來替代Mn。與磷酸鐵鋰電池相比，三元鋰電池不僅價格昂貴，且性能不穩(wěn)定。但是這些缺點均不能掩蓋三元鋰電池能量密度高的優(yōu)點。理論上三元鋰電池的能量密度可達到300Wh/kg，目前，已經(jīng)面世的三元鋰電池的能量密度可達到220 Wh/kg，為磷酸鐵鋰電池的兩倍。

由于磷酸鐵鋰電池的能力密度已經(jīng)到達極限，而三元鋰電池的能量密度很高，近年來，國內(nèi)各大電池廠均集中力量突破三元鋰電池存在的各種技術難關。磷酸鐵鋰時代的里程焦慮問題，在三元鋰時代基本上得到了解決?，F(xiàn)在，新售的新能源轎車多數(shù)采用能量密度更高的三元鋰電池。寧德時代、比亞迪等幾家大廠生產(chǎn)的三元鋰電池動力模塊均能滿足各項性能指標，安全高效地在新能源汽車上使用。

3.2 三元鋰電池回收現(xiàn)狀

三元鋰電池的理論循環(huán)使用壽命與磷酸鐵鋰電池類似，為2000次左右。不同于磷酸鐵鋰電池，三元鋰電池在2000次循環(huán)壽命完成后，電池容量迅速衰減，沒有梯次利用價值。所以，三元鋰電池在正常使用5年后就基本報廢。三元鋰電池中含有大量稀有元素。近年來，鈷、鎳、錳、鋰等金屬材料的價格逐年水漲船高。其中鈷的價格在2019年4月為27萬元/t。所以，三元鋰電池報廢回收具有較高經(jīng)濟收益。

動力電池的回收過程一般分為放電、拆解、粉碎、分選等預處理流程，然后分離出電池內(nèi)的金屬外殼、電極材料等，再將電極材料經(jīng)過特定的回收工藝處理，最終篩選得到有價值的金屬材料[2]。目前，主流電極材料的回收工藝有物理回收工藝、濕法回收工藝和火法回收工藝。三種工藝有一個共同點：需要昂貴的設備、復雜的技術和巨額的資金投入才能完成。

近2年大量使用的三元鋰電池還沒有到集中報廢的時間，三元鋰電池的回收量不大，中小電池回收企業(yè)對高額的投入望而卻步，只有少數(shù)幾家大廠在該領域進行回收。大企業(yè)響應國家號召，重視節(jié)能環(huán)保，目前，三元鋰電池的回收利用、節(jié)能環(huán)保還處在良性循環(huán)上。再過幾年，隨著三元鋰電池大規(guī)模的報廢，提前布局的企業(yè)將取得先發(fā)優(yōu)勢，三元鋰電池回收的江湖還處于早期，未來如何發(fā)展，我們拭目以待。

以上三種電池為我國目前廣泛使用的三種動力電池。鉛酸電池技術落后，污染大，但是因為技術門檻低、價格便宜、性能穩(wěn)定，在我國動力電池市場上始終占有一席之地。磷酸鐵鋰電池技術成熟，綜合性能好，環(huán)境友好，雖然能量密度不如三元鋰電池，但是比鉛酸電池要好不少，期待未來幾年能逐步取代鉛酸電池。三元鋰電池能量密度高，各項綜合性能達標，是以后動力電池的發(fā)展趨勢，隨著以后三元鋰電池的大發(fā)展，我們期待對三元鋰電池的回收更節(jié)能更環(huán)保。也期待國家能對各類電池分類管理，因勢利導，發(fā)揮綜合效益，促進節(jié)能環(huán)保，使我國電池管理進入良性循環(huán)。

參考文獻

[1] 朱廣燕，劉三兵，海濱，等. 動力電池回收及梯次利用研究現(xiàn)狀[J] . 電源技術，2015，39（7）：1564-1566 .

[2] 盧強. 電動汽車動力電池全生命周期分析與評價[D] . 吉林大學，2014 .