汽車(chē)報(bào)廢動(dòng)力電池回收利用模式分析

姚燕，蔣瓊

(廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司汽車(chē)工程研究院，廣東廣州 511434)

0 引言

由于傳統(tǒng)燃油汽車(chē)產(chǎn)生的環(huán)境污染、石油能源的枯竭等問(wèn)題，為保護(hù)環(huán)境和生態(tài)，國(guó)家大力發(fā)展新能源汽車(chē)?，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外新能源汽車(chē)主要以電動(dòng)汽車(chē)為主，動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力源，是最重要的關(guān)鍵零部件。截至2019年4月，我國(guó)新能源汽車(chē)銷(xiāo)量已達(dá)383萬(wàn)輛，如圖1所示。新能源汽車(chē)發(fā)展的同時(shí)帶來(lái)了大量報(bào)廢動(dòng)力電池。動(dòng)力電池使用壽命一般為5～8年[1]，預(yù)計(jì)2020年將產(chǎn)生20萬(wàn)噸的報(bào)廢電池。

圖1 近幾年我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量(資料來(lái)源：汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì))

為追求更高的續(xù)航里程，各大汽車(chē)企業(yè)大力開(kāi)發(fā)三元?jiǎng)恿﹄姵?，這些電池含有鎳、鈷、銅等重金屬，這些金屬具有累積效應(yīng)，一旦進(jìn)入土壤、水體等環(huán)境中，將會(huì)通過(guò)食物鏈富集在人體內(nèi)，鎳和鈷具有致癌性、致突變性和生殖毒性，一旦進(jìn)入人體，將產(chǎn)生極大的危害[2]，還有含氟電解液等危險(xiǎn)物品。這些報(bào)廢動(dòng)力電池如果不能有效處理，會(huì)對(duì)環(huán)境造成重大污染和危害人類(lèi)健康，更是對(duì)資源的極大浪費(fèi)，因此報(bào)廢汽車(chē)動(dòng)力電池的回收利用研究具有環(huán)境保護(hù)效益和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1 汽車(chē)動(dòng)力電池回收利用現(xiàn)狀

1.1 國(guó)家政策

我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)近幾年才開(kāi)始加速發(fā)展，目前尚缺乏針對(duì)動(dòng)力電池回收利用的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)體系，但相關(guān)部門(mén)早在2017年就開(kāi)始關(guān)注報(bào)廢動(dòng)力電池的處理問(wèn)題，并出臺(tái)了一系列政策。工信部、環(huán)保部、交通運(yùn)輸部等7部委在2018年共同印發(fā)《新能源汽車(chē)動(dòng)力蓄電池回收利用管理暫行辦法》，結(jié)合《生產(chǎn)者責(zé)任延伸制度推行方案》，對(duì)參與動(dòng)力電池設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、銷(xiāo)售、回收活動(dòng)段的相應(yīng)企業(yè)進(jìn)行了規(guī)定。同年工信部發(fā)布《新能源汽車(chē)動(dòng)力蓄電池回收利用溯源管理暫行規(guī)定》，要求對(duì)動(dòng)力電池的生產(chǎn)、銷(xiāo)售、使用、報(bào)廢和回收利用全生命周期進(jìn)行監(jiān)管。

標(biāo)準(zhǔn)體系方面，為解決報(bào)廢動(dòng)力電池回收面臨的技術(shù)問(wèn)題，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)專(zhuān)門(mén)成立了車(chē)用動(dòng)力電池回收利用標(biāo)準(zhǔn)工作組，針對(duì)動(dòng)力電池運(yùn)輸、包裝、拆解、余能檢測(cè)、梯次利用和材料回收等方面編制相應(yīng)的技術(shù)要求，為后續(xù)大批量的報(bào)廢動(dòng)力電池回收提供技術(shù)支持。

1.2 行業(yè)現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)新能源汽車(chē)動(dòng)力電池主要有磷酸鐵鋰和三元電鋰電池兩種類(lèi)型。根據(jù)慣例，動(dòng)力電池容量低于初始容量80%后將不再適用于電動(dòng)車(chē)的使用[3]，但此時(shí)的動(dòng)力電池仍有很大的利用價(jià)值。因此行業(yè)內(nèi)報(bào)廢汽車(chē)動(dòng)力電池回收一般先進(jìn)行梯次利用，主要用于低速電動(dòng)車(chē)、通信基站備用電源、電力系統(tǒng)儲(chǔ)能等領(lǐng)域，電池容量低于20%后再進(jìn)行拆解與回收材料。報(bào)廢動(dòng)力電池梯次利用作為近兩年形成的新興領(lǐng)域，目前還處于起步階段，還未形成規(guī)范的市場(chǎng)，還存在諸如動(dòng)力電池剩余壽命的檢測(cè)，如何判定哪些產(chǎn)品可以進(jìn)行梯次利用、梯次利用產(chǎn)品的回收價(jià)值如何估算等很多問(wèn)題未解決，最重要的是如何保證梯次產(chǎn)品的安全性能，這些問(wèn)題都制約著梯次利用市場(chǎng)的可持續(xù)發(fā)展。目前行業(yè)內(nèi)磷酸鐵鋰電池梯次利用技術(shù)比較成熟，產(chǎn)品性能穩(wěn)定，具有很高的梯次利用價(jià)值，但由于原材料價(jià)值低，回收價(jià)值不高。相反，三元電鋰電池由于含有鈷、鎳等貴重金屬，具有很高的材料回收價(jià)值，同時(shí)也因?yàn)榫哂休^高的鎳含量，導(dǎo)致熱失控溫度較低，梯次利用產(chǎn)品無(wú)法完全確保安全性能，且產(chǎn)品使用壽命不長(zhǎng)，梯次利用價(jià)值低。

報(bào)廢電池梯次利用完后，或無(wú)法進(jìn)行梯次利用的報(bào)廢電池，最終進(jìn)入材料回收環(huán)節(jié)。材料回收基本流程如下：首先將電池包拆解至外殼、電器元件、管路件和模組，模組繼續(xù)拆解至電芯單體。電池包拆解至電芯的過(guò)程，目前行業(yè)內(nèi)主要采用人工拆解的方法，自動(dòng)化拆解系統(tǒng)與方法研究仍處于起步階段。

2 汽車(chē)動(dòng)力電池材料回收方法

汽車(chē)動(dòng)力電池包主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)件、高壓銅排、線(xiàn)束、模組、控制器、高壓盒及水冷系統(tǒng)等組成，主要材料及回收方法見(jiàn)表1，其中金屬材料已有成熟的回收體系，可以直接作為一種回收產(chǎn)品；電器件部分零件如控制器、繼電器等具有再制造的價(jià)值，但目前再制造的可行性還需進(jìn)一步分析；塑料類(lèi)材料采用再造粒方法重新生產(chǎn)新的材料，多用于垃圾桶等市政項(xiàng)目。

表1 動(dòng)力電池主要材料及回收方法

三元電鋰電池有價(jià)金屬主要集中在電芯正極材料中，通過(guò)對(duì)兩款三元電鋰電池材料回收的經(jīng)濟(jì)價(jià)值分析，發(fā)現(xiàn)正極材料回收價(jià)值占整個(gè)動(dòng)力電池包回收總價(jià)值的95%左右，如圖2所示。因此，報(bào)廢動(dòng)力電池包材料回收主要是對(duì)正極材料的回收，回收方法的研究也最多，現(xiàn)階段實(shí)際生產(chǎn)中三元正極材料的回收方法主要有濕法冶金工藝和火法冶金工藝兩種。

圖2 動(dòng)力電池材料回收價(jià)值

2.1 濕法冶金工藝

濕法冶金工藝是將電池包拆解至電芯單體，放電后進(jìn)行破碎，分選出正極材料，再將正極材料置于酸性或堿性溶劑中進(jìn)行浸取，最后分別提取有價(jià)金屬。其中，浸取和提取是濕法冶金工藝最核心的兩個(gè)步驟。

浸取是將有價(jià)金屬Co、Ni、Li和Mn溶解在溶劑中，目前主要方法有酸浸法和生物浸取法[4]。酸浸法是指利用酸性溶劑將正極材料上的金屬離子溶解在溶液中，采用的酸分為無(wú)機(jī)酸或有機(jī)酸，使用無(wú)機(jī)酸處理成本低，但會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)酸廢水，使用有機(jī)酸時(shí)產(chǎn)生的廢水容易降解，環(huán)境污染少，但有機(jī)酸來(lái)源少，價(jià)格較貴。生物浸取是利用微生物溶解金屬離子，具有金屬離子浸取效果好、處理成本低、能源消耗低等優(yōu)點(diǎn)，但微生物培育時(shí)間較長(zhǎng)，不適合用于大批量報(bào)廢電池的浸取。

提取是指將上一步浸取液中的有價(jià)金屬Co、Ni、Li和Mn徹底分離，分別提純回收，一般分為萃取法和沉淀法兩種。萃取法是利用不同的萃取劑與各個(gè)金屬絡(luò)合形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，分別將金屬離子提取出來(lái)，具有操作簡(jiǎn)單、能耗低、金屬離子回收率和純度高等優(yōu)點(diǎn)，但需要使用大量的化學(xué)試劑，且萃取劑價(jià)格較高[1]。沉淀法是加入沉淀劑，與金屬離子進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)形成沉淀物，逐步過(guò)濾分離，該方法具有金屬離子回收率高、處理成本低、設(shè)備要求低等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用較為廣泛，但由于多種金屬離子同時(shí)存在，易出現(xiàn)共沉淀的現(xiàn)象，回收產(chǎn)品純度低。

動(dòng)力電池電芯有價(jià)金屬回收濕法冶金工藝流程[5]如圖3所示，該方法處理成本低，對(duì)設(shè)備要求不高，回收的產(chǎn)品可以直接用于正極材料的生產(chǎn)，使用該方法會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)酸、強(qiáng)堿或含有重金屬的廢水和廢渣，需要對(duì)這些污染物進(jìn)行環(huán)保處理。國(guó)內(nèi)如格林美、邦普等主要企業(yè)基本采用濕法冶金回收?qǐng)?bào)廢動(dòng)力電池材料，并設(shè)立專(zhuān)門(mén)的部門(mén)處理廢水，經(jīng)過(guò)處理后的廢水和廢渣各項(xiàng)指標(biāo)均能滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)要求。

圖3 電池有價(jià)金屬回收濕法冶金工藝流程

2.2 火法冶金工藝

火法冶金工藝，也叫高溫分選或熱處理法，是指將電池外殼拆掉后，置于高溫爐中焚燒，在800 ℃高溫下有機(jī)粘結(jié)劑、電解液等其他有機(jī)雜質(zhì)被燃燒分解，變成氣體去除[6]，同時(shí)在一定的條件下，對(duì)有價(jià)金屬經(jīng)過(guò)氧化還原形成金屬氧化物，從而回收有價(jià)金屬。工藝流程如圖4所示。

圖4 電芯有價(jià)金屬回收濕法冶金工藝流程

火法冶金工藝回收電池材料的有價(jià)金屬優(yōu)點(diǎn)是回收效率高、工藝流程簡(jiǎn)單、能夠快速去除雜質(zhì)，缺點(diǎn)是對(duì)設(shè)備要求高、能源消耗高、處理成本高，同時(shí)回收產(chǎn)品需要進(jìn)一步合成相應(yīng)的金屬鹽類(lèi)才能用于新正極材料的生產(chǎn)，產(chǎn)生的有機(jī)氣體廢氣會(huì)污染大氣，需要廢氣處理才能排放。該方法在國(guó)外應(yīng)用較多，如比利時(shí)優(yōu)美科擁有年處理量7 000 t的報(bào)廢電池回收工廠(chǎng)，該廠(chǎng)采用火法冶金回收電池材料，并將回收產(chǎn)品加工成制備電池材料的原材料，產(chǎn)生的殘?jiān)€可以用于建筑材料上[5]，形成了較為完整的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，產(chǎn)生的廢氣經(jīng)過(guò)處理后可以達(dá)標(biāo)排放。

3 汽車(chē)動(dòng)力電池材料回收模式

目前，濕法冶金和火法冶金工藝均已工業(yè)化應(yīng)用，且有價(jià)金屬回收率高、回收產(chǎn)品雜質(zhì)少，可用于新電池材料的制備。黎華玲等[7]分析了采用濕法冶金和火法冶金回收電池材料的經(jīng)濟(jì)效益，三元鋰電池采用濕法冶金工藝可以獲得較高的盈利，磷酸鐵鋰電池采用改進(jìn)后的火法冶金工藝回收材料能獲取少量盈利。國(guó)內(nèi)目前主流的新能源汽車(chē)動(dòng)力電池大部分采用三元鋰電池，且三元電池材料回收價(jià)值較高，因此針對(duì)三元正極材料的回收和再生研究較多。楊桃等人[8]對(duì)失去活性鋰而導(dǎo)致電池失效的三元正極材料，通過(guò)添加電池級(jí)碳酸鋰的方法重新生產(chǎn)新的正極材料，得到的材料性能指標(biāo)均符合電池生產(chǎn)的要求。HE等[9]采用碳酸鹽共沉淀法，利用報(bào)廢的三元材料合成新的正極材料，合成的材料性能與利用新材料合成的正極材料性能相當(dāng)。

汽車(chē)動(dòng)力電池由于使用壽命比汽車(chē)本身要短，或存在多種使用不當(dāng)?shù)那闆r，導(dǎo)致動(dòng)力電池需要更換或維修。新能源汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)通過(guò)龐大的4S店網(wǎng)絡(luò)，可以很容易回收這部分報(bào)廢電池，而汽車(chē)企業(yè)可以將這些報(bào)廢的電池材料回收后繼續(xù)應(yīng)用于新的電池開(kāi)發(fā)中，因此汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)主動(dòng)回收?qǐng)?bào)廢動(dòng)力電池，不僅可以滿(mǎn)足法規(guī)的要求，解決電池報(bào)廢后產(chǎn)生的環(huán)境污染問(wèn)題，還可以降低電池材料采購(gòu)成本，提高企業(yè)品牌形象和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。圖5構(gòu)建了一種汽車(chē)企業(yè)回收?qǐng)?bào)廢動(dòng)力電池材料的運(yùn)行模式，汽車(chē)企業(yè)采用以租代售或以舊換新的方式將汽車(chē)動(dòng)力電池交給消費(fèi)者，通過(guò)4S店或回收網(wǎng)點(diǎn)收集報(bào)廢的電池，將電池材料回收后再利用生產(chǎn)的新的正極材料進(jìn)行新電池的制備。這種模式下，正極材料可以重復(fù)利用，實(shí)現(xiàn)真正意義上的循環(huán)。

圖5 報(bào)廢動(dòng)力電池回收模式

4 小結(jié)

新能源汽車(chē)的大力發(fā)展，將導(dǎo)致大量的報(bào)廢動(dòng)力電池的產(chǎn)生，電池的回收處理成為必然需要解決的問(wèn)題。國(guó)家出臺(tái)多個(gè)政策法規(guī)和制定相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，推進(jìn)報(bào)廢動(dòng)力電池的回收處理；行業(yè)內(nèi)也在研究電池包的高效率自動(dòng)化拆解技術(shù)，分析報(bào)廢動(dòng)力電池回收經(jīng)濟(jì)價(jià)值，探討報(bào)廢動(dòng)力電池的回收模式。報(bào)廢動(dòng)力電池材料，特別是三元鋰電池正極材料的回收技術(shù)和再生技術(shù)比較成熟，回收材料再生的產(chǎn)品與新材料生產(chǎn)的正極材料性能相當(dāng)，符合動(dòng)力電池的要求。

目前，存在的主要問(wèn)題是如何從消費(fèi)者手中回收?qǐng)?bào)廢電池和電池回收市場(chǎng)不規(guī)范，以新能源汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)為主體的報(bào)廢電池回收模式一定程度上解決這兩個(gè)問(wèn)題。以新能源汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)為橋梁，聯(lián)通電池生產(chǎn)企業(yè)、消費(fèi)者、回收企業(yè)，形成閉環(huán)，將資源最大化利用，減少浪費(fèi)和環(huán)境污染，同時(shí)也有利于避免動(dòng)力電池設(shè)計(jì)相關(guān)技術(shù)機(jī)密泄露[3]，還可以將電池回收過(guò)程中產(chǎn)生的問(wèn)題反饋到電池包的設(shè)計(jì)中，在設(shè)計(jì)階段開(kāi)始考慮電池的回收，指導(dǎo)汽車(chē)企業(yè)動(dòng)力電池的綠色設(shè)計(jì)。