無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 路 露
近年來,新能源汽車越來越受到人們的關(guān)注,電動(dòng)汽車市場發(fā)展規(guī)模日益龐大。然而動(dòng)力電池使用壽命一般僅為5年~6年,當(dāng)電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池容量衰減到80%時(shí),就無法滿足電動(dòng)汽車的使用要求,這就意味著未來幾年會有大量動(dòng)力電池面臨報(bào)廢回收。如果回收處置不當(dāng),不僅會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染,也是對電池價(jià)值的巨大浪費(fèi)。因此,如何有效合理地利用退役動(dòng)力電池成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。目前常用的新能源汽車動(dòng)力電池再利用的方法主要有拆解回收和梯次利用兩類。
由于鋰離子動(dòng)力電池具有電容量大、能量密度高、循環(huán)性能好等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于新能源汽車。鋰離子動(dòng)力電池電極材料中含有大量的重金屬,當(dāng)電池報(bào)廢時(shí),如果不能進(jìn)行有效地拆解回收,不僅會造成資源浪費(fèi),還會帶來環(huán)境問題。目前鋰離子動(dòng)力電池的拆解回收方法主要有物理法、生物法和化學(xué)法。物理法主要是通過機(jī)械處理,利用碾碎、篩分、磁分離等物理方法進(jìn)行電池組分的初步分離,這種方法的優(yōu)點(diǎn)是工藝流程少、技術(shù)比較成熟,但是在篩選時(shí),存在夾帶損失,而且很難實(shí)現(xiàn)金屬完全分離,導(dǎo)致回收并不徹底。生物法主要是利用氧化硫硫桿菌、嗜酸菌等微生物浸出,將有用成分轉(zhuǎn)化為可溶化合物來實(shí)現(xiàn)金屬組分的分離,這種方法的優(yōu)點(diǎn)是環(huán)境污染小、菌種可重復(fù)利用,但是由于菌種的選擇困難、菌種培養(yǎng)周期長,導(dǎo)致回收的效率低?;瘜W(xué)法主要有火法處理和濕法處理兩類。其中火法處理是將電極材料進(jìn)行高溫熔融,從而提煉金屬,這種方法處理成本高、二次污染嚴(yán)重,而且無法回收金屬鋰,顯然并不適用于新能源汽車動(dòng)力電池的回收。另一種化學(xué)法是濕法回收,利用浸出液將金屬浸出至溶液,再進(jìn)行分離純化,這種方法成本較低、技術(shù)成熟,特別適用于中小規(guī)模鋰離子電池的回收。
下面以應(yīng)用較廣泛的三元鋰離子電池為例,探討如何采用濕法冶金技術(shù)進(jìn)行拆解回收。濕法冶金技術(shù)主要步驟包括前處理、預(yù)處理、酸(堿)液浸出、浸出液除雜、分離萃取及元素沉淀等。濕法回收工藝先對材料進(jìn)行預(yù)處理,再通過酸(堿)液浸出,將金屬以離子形式回收,通過分離萃取、元素沉淀提取金屬材料。如通過濕法回收工藝處理LiNi1-x-yCoxMnyO2正極電極材料,以硫酸作為浸出劑得到浸出液,再向浸出液中加入氧化劑高錳酸鉀,與三價(jià)錳離子發(fā)生選擇性反應(yīng),得到二氧化錳、氫氧化錳沉淀,再通過丁二酮肟分離提取二價(jià)鎳離子。通過氫氧化鈉將鈷離子轉(zhuǎn)化成沉淀,再加入飽和碳酸鈉溶液,將剩余的鋰離子形成碳酸鋰沉淀,最終實(shí)現(xiàn)LiNi1-x-yCoxMnyO2正極電極材料中各金屬元素的回收。
新能源汽車動(dòng)力電池容量衰減到80%時(shí),就會成為退役動(dòng)力電池。如果將退役動(dòng)力電池直接進(jìn)行拆解回收,會造成極大的資源浪費(fèi)。研究顯示,新能源汽車退役動(dòng)力電池仍有多達(dá)400次~1 000次的循環(huán),雖然無法滿足新能源汽車的性能需求,但仍可梯次利用在其他場合發(fā)揮其作用,只有容量衰減很多(低于20%)的鋰離子動(dòng)力電池才會直接送往具備相關(guān)資質(zhì)的企業(yè)進(jìn)行拆解回收。對于容量衰減較少的退役動(dòng)力電池,可以通過篩選、修復(fù)、增容等技術(shù)處理,用于低能耗車輛。無法滿足車輛能耗的動(dòng)力電池也可應(yīng)用于可再生能源發(fā)電、小型蓄能電站、智能電網(wǎng)的削峰填谷、微網(wǎng)、電動(dòng)汽車充換電站、家庭備用電源等領(lǐng)域,在一定程度上降低電池儲能系統(tǒng)的成本,優(yōu)化儲能配置,對于促進(jìn)電池儲能在我國的發(fā)展應(yīng)用具有積極的作用。對退役動(dòng)力電池進(jìn)行梯次利用,延長了電池的使用壽命、發(fā)揮了電池的容量價(jià)值、緩解了大量電池回收工作的壓力,分?jǐn)偭讼M(fèi)者的使用成本,具有重要的社會意義和經(jīng)濟(jì)效益。
從新能源汽車上回收的退役動(dòng)力電池的容量、內(nèi)阻、自放電率及二次循環(huán)壽命等技術(shù)指標(biāo)都不同于新電池,故而無法直接應(yīng)用于其他領(lǐng)域,因此要正確估計(jì)退役動(dòng)力電池的剩余價(jià)值,選擇具有電池一致性的單體電池,重組電池包,才能防止出現(xiàn)某一電化學(xué)儲能性質(zhì)較差的電池單體影響整個(gè)電池包的儲能性質(zhì),實(shí)現(xiàn)退役重組電池包的性能最大化。首先,無損拆解退役新能源汽車動(dòng)力電池組,獲得電池單體。如果在拆解過程中出現(xiàn)破損,則篩選出可再用的電池單體進(jìn)行修復(fù),并重新充電,充電完畢后進(jìn)行性能檢測,篩選出額定電壓與實(shí)際電壓之差不大于0.02 V且實(shí)際容量不低于標(biāo)稱容量的70%的電池單體(測試過程可參照國標(biāo)GB/T 31467.2—2015),對不能達(dá)標(biāo)的電池單體進(jìn)行報(bào)廢處理。然后,再將篩選出的電池單體配對重組成動(dòng)力電池組,梯次利用于可再生能源發(fā)電、家庭備用電源等領(lǐng)域。
目前,國內(nèi)也有一些企業(yè)開展動(dòng)力電池梯次利用項(xiàng)目。如北京市的“梯次利用電池儲能系統(tǒng)示范工程”項(xiàng)目就是利用退役動(dòng)力電池實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)功率/電壓、備電。唐山供電公司通過退役動(dòng)力電池為用戶提供可靠和高質(zhì)量供電,實(shí)現(xiàn)削峰填谷離網(wǎng)運(yùn)行。中國電力科學(xué)研究院利用退役動(dòng)力電池實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電平滑調(diào)頻。
雖然目前新能源汽車退役電池的回收再利用已有了較成熟的方案,但退役電池的回收再利用技術(shù)難度高、資金投入大,導(dǎo)致很多企業(yè)望而卻步,所以目前國內(nèi)從事退役新能源汽車動(dòng)力電池回收再利用的企業(yè)還相對較少,導(dǎo)致動(dòng)力電池回收利用率仍然較低。因此,在新能源汽車動(dòng)力電池退役大潮來臨之前,還需要政府大力扶持,不斷完善相關(guān)技術(shù)規(guī)范,貫徹動(dòng)力電池全生命周期理念,以促進(jìn)新能源汽車動(dòng)力電池回收再利用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。