新能源汽車(chē)廢舊動(dòng)力電池回收淺析

王建海　連鑫　宋瑞

摘 要：鋰離子動(dòng)力電池的回收利用是新能源汽車(chē)發(fā)展過(guò)程中無(wú)法回避的問(wèn)題。本文簡(jiǎn)單分析了目前退役鋰離子電池回收利用的處理方式，同時(shí)回顧了國(guó)內(nèi)外鋰離子電池回收利用的現(xiàn)狀，提出了中國(guó)鋰離子電池回收產(chǎn)業(yè)將會(huì)呈現(xiàn)以電池生產(chǎn)商、行業(yè)聯(lián)盟和專業(yè)第三方回收公司為主流的商業(yè)模式。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池 回收 環(huán)保

Analysis on the Recycling of Waste Power Batteries of New Energy Vehicles

Wang Jianhai Lian Xin Song Rui

Abstract：The recycling of lithium-ion power batteries is an unavoidable problem in the development of new energy vehicles. This article briefly analyzes the current recycling and utilization of decommissioned lithium-ion batteries. At the same time， it reviews the current status of domestic and foreign lithium-ion battery recycling. It is proposed that Chinas lithium-ion battery recycling industry will be represented by battery manufacturers， industry alliances and professional third parties. Recycling companies are the mainstream business model.

Key words：Lithium-ion battery， recycling， environmental protection

1 前言

能源是社會(huì)發(fā)展的重要推動(dòng)力，人類社會(huì)的進(jìn)化史可以歸結(jié)為能源的發(fā)展史。能源變革促進(jìn)社會(huì)生產(chǎn)力的飛躍，傳統(tǒng)化石燃料大大加快了人類社會(huì)步入工業(yè)化的進(jìn)程，創(chuàng)造了巨大的社會(huì)財(cái)富。但與此同時(shí)，能源過(guò)度消耗導(dǎo)致的能源危機(jī)以及傳統(tǒng)化石燃料在能源消耗過(guò)程中產(chǎn)生了一系列生態(tài)問(wèn)題（如溫室效應(yīng)、大氣污染、酸雨等）[1]。在日益增長(zhǎng)的能源需求下，如何保證能源的持續(xù)供給且不再加重生態(tài)系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題，這也是后石油時(shí)代全球面臨的共同問(wèn)題。為了維持社會(huì)的繁榮及可持續(xù)發(fā)展，開(kāi)發(fā)新型清潔、綠色、可再生的替代能源成為人們的必然選擇，同時(shí)新能源革命也是解決空氣污染、能源危機(jī)及全球氣候變暖的必經(jīng)之路。

目前，人們主要關(guān)注于自然能源（如太陽(yáng)能、風(fēng)能、潮汐能等）的使用及利用率，即通過(guò)一定的技術(shù)手段對(duì)此類型能源加以開(kāi)發(fā)利用，在用電低谷期完成高效存儲(chǔ)，并在用電高峰期進(jìn)行供電補(bǔ)償，以此來(lái)緩解傳統(tǒng)化石燃料帶來(lái)的環(huán)境污染等問(wèn)題。但自然能源因自身的局限性（如間歇性、不穩(wěn)定及分布不均等）并未得到有效利用，高效的能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)是充分利用自然能源的必要條件。而目前，世界上絕大比例的能量（約98%）仍是依靠水力蓄能的方式進(jìn)行存儲(chǔ)，根據(jù)水力蓄能的效率，將1立方的水提升1米的高度僅能得到約3Wh的能量[2]?？紤]到能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的成本、適應(yīng)性、易用性等因素，開(kāi)發(fā)出一種高效的能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)清潔能源穩(wěn)定、可靠使用的關(guān)鍵。

電池是一種將化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)換的裝置，在現(xiàn)有的能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)中占有極其重要的地位。作為電化學(xué)儲(chǔ)能的典型代表，鋰離子電池因能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在能力儲(chǔ)存領(lǐng)域中扮演著重要角色。自1991年索尼公司推出商品化的鋰離子電池后，鋰離子電池憑借其高能量密度、便攜性等突出優(yōu)勢(shì)迅速滲透于我們的日常生活中。近年來(lái)，在綠色清潔能源的需求驅(qū)動(dòng)下，鋰離子電池從最初作為3C電子產(chǎn)品電源向更多能量存儲(chǔ)領(lǐng)域延伸，如新能源汽車(chē)、大型儲(chǔ)能電站等。在全球新能源汽車(chē)戰(zhàn)略的實(shí)施驅(qū)動(dòng)下，新能源汽車(chē)（純電動(dòng)汽車(chē)、插電式混合動(dòng)力汽車(chē)）市場(chǎng)保有量由2016年的200萬(wàn)輛上升至2017年的300萬(wàn)輛，并仍以較高的速度增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)到2025年，全球新能源汽車(chē)的保有量將達(dá)2000萬(wàn)輛左右[3-5]。如此大的新能源汽車(chē)市場(chǎng)意味著巨大的鋰離子電池市場(chǎng)規(guī)模，與此同時(shí)，當(dāng)大量鋰離子電池壽命終止時(shí)，如何有效地處置退役電池也是我們必須要考慮的一個(gè)問(wèn)題。如果隨意地丟棄或者進(jìn)行簡(jiǎn)單的填埋處理，將會(huì)再次對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的傷害，同時(shí)也是對(duì)資源的巨大浪費(fèi)。這是因?yàn)閺U棄的鋰離子電池中含有鈷、鎳、錳和含氟化合物以及有機(jī)溶劑等會(huì)給環(huán)境造成嚴(yán)重污染，其中鈷元素廣泛應(yīng)用于軍事及工業(yè)中，具有極其重要的戰(zhàn)略地位。巨大的鈷源消耗量也導(dǎo)致鈷價(jià)的飛漲，同時(shí)，作為鋰離子電池生產(chǎn)中的基本元素—鋰，鋰源（以Li2CO3為例）的價(jià)格在過(guò)去的十年中也漲了近三倍[6]。

廢舊電池中鋰的含量約為2—7wt%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋰礦中的含鋰量，據(jù)相關(guān)研究預(yù)算，從28t廢舊電池中即可提取1t的鋰，而如果從鋰礦中提取1t鋰則至少需要250t的鋰礦[2]。同樣地，廢舊電池中也含有大量的貴金屬，通過(guò)對(duì)廢舊退役電池進(jìn)行批量回收處理，不僅可以緩解其對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的壓力，更是具有相當(dāng)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。按照全球推進(jìn)新能源汽車(chē)的進(jìn)程，規(guī)?；艘鄹叱奔磳?lái)臨，就新能源汽車(chē)而言，鋰離子動(dòng)力電池的壽命約為5—8年，按照目前回收的綜合效益計(jì)算，鋰離子電池回收價(jià)值為0.3元/瓦時(shí)，預(yù)計(jì)2020年理論報(bào)廢量將達(dá)到37GWh，其回收市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)百億元級(jí)別。作為構(gòu)筑產(chǎn)業(yè)鏈閉環(huán)的關(guān)鍵，鋰離子電池回收兼具環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性，具有巨大的發(fā)展空間。

2 退役鋰離子電池處理方法

目前，針對(duì)廢舊動(dòng)力鋰離子電池的處理方式主要有三種：重新制造、重新利用、回收[7]。重新制造與重新利用是從延長(zhǎng)電池的使用期限、盡可能的擴(kuò)大鋰離子電池的使用范圍來(lái)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)，而回收則是直接進(jìn)行元素回收來(lái)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的閉環(huán)。

重新制造是指對(duì)應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)中的動(dòng)力電池包中少數(shù)性能不達(dá)標(biāo)的單體或模組進(jìn)行替換，使重組后的電池包滿足車(chē)用電池包所規(guī)定的SOC、SOH、功率、能量、循環(huán)壽命等指標(biāo)，繼續(xù)布署于原始應(yīng)用中。根據(jù)美國(guó)高級(jí)電池協(xié)會(huì)（USABC）的規(guī)定，當(dāng)電池模塊或電池包的功率小于其原始額定值的80%時(shí)，將不再滿足電動(dòng)汽車(chē)的使用要求。然而，在對(duì)電池組的實(shí)際檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)電池包失效往往是由于內(nèi)部的少數(shù)單體或者模組出現(xiàn)了問(wèn)題，大部分的電池模組還處于正常狀態(tài)，只需要對(duì)失效的模組或單體進(jìn)行更換就能繼續(xù)發(fā)揮其價(jià)值。據(jù)相關(guān)成本效益分析，相比于更換全新的電池包，采用重新制造的電池包約節(jié)省40%的成本[8]。但重新制造對(duì)電池包的質(zhì)量及指標(biāo)要求十分嚴(yán)格，同時(shí)需要先進(jìn)的診斷技術(shù)做保障。

重新利用，又名梯次利用，是指動(dòng)力電池不再滿足電動(dòng)汽車(chē)的使用規(guī)定時(shí)，轉(zhuǎn)向?qū)﹄姵匕阅芤蟛桓叩念I(lǐng)域（如備用電源、儲(chǔ)能電站等）繼續(xù)發(fā)揮電池包的剩余價(jià)值，以實(shí)現(xiàn)價(jià)值的最大化。同樣地，重新利用也會(huì)涉及到電池的檢測(cè)診斷、電池包的拆解重組和系統(tǒng)集成以及構(gòu)建新的電池管理系統(tǒng)（BMS）。但目前由于各制造商采用不同規(guī)格的單體及模組、不同的pack技術(shù)甚至不兼容、不開(kāi)放的電池管理系統(tǒng)，都對(duì)電池重新利用中的分級(jí)與重組整合造成很大的阻礙。因此，高效的自動(dòng)化拆解、模組的快速篩選分級(jí)、先進(jìn)的BMS管理系統(tǒng)是重新利用的關(guān)鍵技術(shù)。總結(jié)全球各國(guó)在動(dòng)力電池重新利用的經(jīng)驗(yàn)，建立一套可溯源的大數(shù)據(jù)平臺(tái)可有效推進(jìn)電池的重新利用，該大數(shù)據(jù)平臺(tái)應(yīng)包括：（1）電芯研發(fā)生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)，（2）電池包研發(fā)生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)，（3）電池包車(chē)載運(yùn)行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)這三個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電芯來(lái)料、生產(chǎn)、pack技術(shù)、以及運(yùn)行狀態(tài)等全方位監(jiān)控。目前，動(dòng)力電池生產(chǎn)制造商和整車(chē)廠商在信息獲取方面具有“先天優(yōu)勢(shì)”，同時(shí)具備渠道優(yōu)勢(shì)，能夠以較低成本促進(jìn)動(dòng)力電池的快速流轉(zhuǎn)。

回收，是指采取一定的方式對(duì)退役失效電池中的有價(jià)值元素重新富集，同時(shí)對(duì)有害物質(zhì)進(jìn)行處理的過(guò)程。不同于重新制造和重新利用，回收對(duì)待處理的動(dòng)力電池的性能參數(shù)以及成組方式無(wú)任何特殊要求。作為動(dòng)力電池最終的處理手段，回收利用主要包括兩個(gè)過(guò)程：（1）退役電池的預(yù)處理，包括分類、剩余電量放電及拆解、粉碎，其中放電主要是將廢舊電池放置于氯化鈉溶液中進(jìn)行;（2）后續(xù)處理，包括回收拆解后各類廢料中的高價(jià)值組分，開(kāi)展電池材料的修復(fù)或再造。目前，主要的回收方法包括：干法回收工藝、濕法回收工藝、生物回收工藝等，其中干法回收與濕法回收是目前企業(yè)主流的回收工藝。但由于當(dāng)前市場(chǎng)上鋰離子動(dòng)力電池的體系的多樣性，就正極材料而言，主要有鈷酸鋰系列（Li2CO3）、磷酸鐵鋰系列（LiFePO4）、錳酸鋰系列（LiMn2O4）、三元材料系列（LiNixMnyCozO2，LiNixCoyAlzO2，其中x+y+z=1）。不同的電池組分以及pack方式均對(duì)電池的回收造成一定的阻礙，且隨著目前鋰離子電池逐步轉(zhuǎn)向高鎳低鈷的工藝，甚至是無(wú)鈷的電池體系，對(duì)現(xiàn)有的以鈷元素回收為主的商業(yè)模式提出了很大的挑戰(zhàn)，后續(xù)仍然需要改善回收工藝，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池材料的全面回收以挖掘更多的利潤(rùn)。以上三種對(duì)退役鋰離子電池的回收處理方案，從價(jià)值最大化的角度來(lái)看，針對(duì)規(guī)?；耐艘垆囯x子電池，首先進(jìn)行重新制造或者重新利用，最后再進(jìn)入回收階段是最為理想的解決方案[9]-[10];但從整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)的角度來(lái)看，回收可以使有價(jià)值的元素迅速返回價(jià)值鏈進(jìn)行再生產(chǎn)，可以緩解對(duì)現(xiàn)有資源的開(kāi)發(fā)壓力。

3 國(guó)內(nèi)外回收退役鋰離子電池現(xiàn)狀

3.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家在動(dòng)力電池回收利用方面，主要有以下幾個(gè)模式：

（1）日本。早在電動(dòng)汽車(chē)推廣之前，日本就前瞻性地布局了動(dòng)力電池的回收利用。在2000年，就建立了“動(dòng)力電池生產(chǎn)—銷售—回收—再生處理”回收體系，并明確電池生產(chǎn)企業(yè)為回收主體，通過(guò)汽車(chē)經(jīng)銷商、加油站、零售商等主要渠道進(jìn)行廢舊電池回收。在2018年，以豐田、本田等多家汽車(chē)廠商以聯(lián)盟的形式共同推進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)用退役動(dòng)力電池的回收，該模式是由汽車(chē)拆卸網(wǎng)點(diǎn)將退役電池拆解出來(lái)，就近轉(zhuǎn)到回收利用工廠進(jìn)行回收處理，汽車(chē)生產(chǎn)廠商對(duì)回收利用企業(yè)進(jìn)行一定的補(bǔ)貼。

（2）美國(guó)。美國(guó)向來(lái)重視環(huán)境管理方面的工作，針對(duì)廢舊退役電池的流通環(huán)節(jié)有著嚴(yán)格的技術(shù)規(guī)范，同時(shí)實(shí)行生產(chǎn)者責(zé)任延伸制度和押金制度。如在動(dòng)力電池出售時(shí)以附加環(huán)境費(fèi)的方式對(duì)消費(fèi)者收取一定的費(fèi)用，作為動(dòng)力電池回收利用資金的支持，同時(shí)在動(dòng)力電池企業(yè)賣(mài)出提純的回收原材料時(shí)給予一定的價(jià)格保障，保證電池回收企業(yè)的利潤(rùn)，由此促進(jìn)電池回收利用的發(fā)展。

（3）歐盟。歐盟國(guó)家從2008年開(kāi)始強(qiáng)制推行退役動(dòng)力電池回收，并指明由電池生產(chǎn)產(chǎn)商承擔(dān)回收費(fèi)用。德國(guó)在電池回收利用方面做的最為成熟，目前已經(jīng)建立了完善的回收利用體系的法律制度，對(duì)電池生產(chǎn)商和經(jīng)銷商采取嚴(yán)格地登記，同時(shí)規(guī)定經(jīng)銷商配合生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行退役電池回收，消費(fèi)者也具有提交退役電池至指定回收商的法定義務(wù)。

3.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)參與鋰電退役電池回收的企業(yè)眾多，不僅包括電池產(chǎn)業(yè)鏈的上游原材料生產(chǎn)企業(yè)，也包括產(chǎn)業(yè)鏈的中游電池制造企業(yè)以及獨(dú)立的第三方回收公司，但主要的回收模式有三種：一是以動(dòng)力電池生產(chǎn)商為主的回收模式，典型代表為寧德時(shí)代。寧德時(shí)代作為鋰離子動(dòng)力電池生產(chǎn)的龍頭企業(yè)，通過(guò)收購(gòu)邦普集團(tuán)股份，形成了“生產(chǎn)-銷售-回收—生產(chǎn)”的循環(huán)模式，邦普在電池回收領(lǐng)域一直處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，其自主研發(fā)的模組、單體拆解裝備30000套，年處理廢舊電池總量超20000噸，回收規(guī)模及資源循環(huán)產(chǎn)能已躍居亞洲首位，其“逆向產(chǎn)品定位設(shè)計(jì)”技術(shù)解決了回收領(lǐng)域“廢料還原”的難題，同時(shí)也掌握了與原料對(duì)接的“定向循環(huán)”核心技術(shù)。二是汽車(chē)生產(chǎn)商以聯(lián)盟的形式自建回收體系，用以回收旗下所售的退役動(dòng)力電池，典型代表為北汽新能源。北汽新能源的“擎天柱計(jì)劃”則專注于退役電池的梯次利用，實(shí)現(xiàn)新能源汽車(chē)、動(dòng)力電池、光伏發(fā)電儲(chǔ)能等深度融合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池價(jià)值的最大化利用。三是由專業(yè)的第三方回收企業(yè)進(jìn)行回收，典型代表為天奇股份。其通過(guò)控股深圳乾泰能源再生技術(shù)有限公司和完成對(duì)金泰閣的收購(gòu)，掌握動(dòng)力電池拆解回收的核心技術(shù)，同時(shí)與國(guó)內(nèi)新能源汽車(chē)企業(yè)穩(wěn)定合作，大舉進(jìn)入鋰電回收領(lǐng)域，布局新能源汽車(chē)動(dòng)力電池回收。

4 總結(jié)

借鑒海外發(fā)達(dá)國(guó)家（如日本、美國(guó)、歐盟等）在廢舊鋰離子電池回收利用發(fā)展可以發(fā)現(xiàn)，未來(lái)鋰電回收產(chǎn)業(yè)會(huì)呈現(xiàn)以電池生產(chǎn)商、行業(yè)聯(lián)盟和專業(yè)第三方為主流的商業(yè)模式。同時(shí)，健全的法律法規(guī)和完善的回收體系是電池回收利用的關(guān)鍵，利用法律的強(qiáng)制性約束動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)鏈上的各相關(guān)主體，充分實(shí)施生產(chǎn)者承擔(dān)主要責(zé)任、相關(guān)主體配合回收的模式，同時(shí)在關(guān)鍵環(huán)節(jié)方面輔以政策支持與補(bǔ)貼。

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本文受“廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃”資金資助，項(xiàng)目號(hào)：2020B090919004”，資金英文名稱為“Key-Area Research and Development Program of Guangdong Province”