動(dòng)力電池回收體系的外包裝功能設(shè)計(jì)與藝術(shù)設(shè)計(jì)的融合
——評《動(dòng)力電池梯次利用與回收技術(shù)》

王 聰

( 永城職業(yè)學(xué)院，河南 商丘 476600 )

隨著新能源汽車保有量的迅速攀升，退役動(dòng)力電池的數(shù)量不斷增加。在現(xiàn)有政策和節(jié)能減排大背景下，預(yù)計(jì)到2030年，退役動(dòng)力電池將呈爆發(fā)式增長。對退役動(dòng)力電池進(jìn)行回收，不僅能實(shí)現(xiàn)資源再利用，而且符合當(dāng)下倡導(dǎo)綠色低碳理念的背景。開展動(dòng)力電池梯次利用與回收技術(shù)，對行業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

有鑒于此，李麗等主編的《動(dòng)力電池梯次利用與回收技術(shù)》一書進(jìn)行了退役動(dòng)力電池的回收和再利用研究，該書包含8個(gè)章節(jié)：第1章分析了新能源汽車及動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀與前景；第2～6章依次介紹了退役動(dòng)力電池梯次利用與安全評估技術(shù)、梯次利用顛覆性技術(shù)、電池組與單體預(yù)處理技術(shù)、動(dòng)力電池回收處理技術(shù)；第7～8章分析了資源化綜合利用實(shí)例及全生命周期評價(jià)，并就本領(lǐng)域所面臨的機(jī)遇、挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢進(jìn)行了總結(jié)和展望。

1 新能源汽車及動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與前景

在新能源汽車領(lǐng)域，中國擁有全球最大的消費(fèi)市場和銷售額。2016-2020年，我國政府出臺(tái)的一系列對新能源汽車市場的扶持政策，極大地推動(dòng)了動(dòng)力電池行業(yè)的擴(kuò)張，五年間年復(fù)合增長率達(dá)到了24.3%。截至2020年，我國動(dòng)力電池終端消費(fèi)需求占比達(dá)到了44.1%。雖然新能源購車補(bǔ)貼將于2022年年底結(jié)束，但政府對于新能源汽車生態(tài)鏈的支持，使得新能源市場在宏觀層面仍持續(xù)向好發(fā)展，因此，我國動(dòng)力電池需求仍將保持高速增長。

退役動(dòng)力電池?cái)?shù)量隨著動(dòng)力電池需求的增長而快速增長。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國動(dòng)力電池退役量在2020年已累計(jì)約20×104t，預(yù)計(jì)到2025年，累計(jì)退役量將接近80×104t。動(dòng)力鋰離子電池能量消耗大，使用壽命短，使得報(bào)廢量激增，對環(huán)境造成嚴(yán)重污染，同時(shí)廢舊動(dòng)力鋰離子電池中含有大量的銅、鋁、石墨等資源，不進(jìn)行有效回收，會(huì)造成資源浪費(fèi)。對廢舊動(dòng)力鋰離子電池開展回收利用，迫在眉睫。

退役動(dòng)力電池遵循先梯次利用、后再生利用的原則，旨在降低綜合能耗、提高能源利用率。從產(chǎn)業(yè)鏈的上下游環(huán)節(jié)看，動(dòng)力電池的生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)在源頭上做好產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最大限度地考慮后續(xù)的梯次利用效果，而梯次利用與回收企業(yè)則要重點(diǎn)把關(guān)梯次產(chǎn)品的質(zhì)量，同時(shí)系統(tǒng)考量報(bào)廢后的統(tǒng)一回收問題。整個(gè)動(dòng)力電池回收體系，可以通過整合上下游產(chǎn)業(yè)鏈信息，為動(dòng)力電池的高效梯次利用創(chuàng)造更加便捷的條件，其中，動(dòng)力電池的外包裝科學(xué)設(shè)計(jì)，可以助力行業(yè)的健康和高效發(fā)展。

2 動(dòng)力電池梯次利用技術(shù)

一般情況下，當(dāng)動(dòng)力電池的剩余容量衰減至額定容量的80%以下時(shí)，會(huì)進(jìn)行退役處理。可以梯次利用的剩余容量范圍通常為60%～80%，主要用于儲(chǔ)能系統(tǒng)、備用電源等。當(dāng)剩余容量低于60%時(shí)，無法滿足梯次利用要求，會(huì)對電池進(jìn)行拆解回收和再生處理，從而實(shí)現(xiàn)資源最大化利用。

研究結(jié)果表明，退役動(dòng)力鋰離子電池可利用率達(dá)到60%，梯次利用價(jià)值巨大。退役動(dòng)力電池的梯次利用回收包括以下步驟：①電池回收；②電池組拆解獲得電池單體；③檢測并分類篩選出可使用的電池單體；④電池單體配對重組成電池組；⑤系統(tǒng)集成與運(yùn)行維護(hù)。

按正極材料的不同，動(dòng)力鋰離子電池主要有磷酸鐵鋰和三元材料兩大主流技術(shù)路線，早期以磷酸鐵鋰鋰離子電池為主，隨著消費(fèi)者對續(xù)航里程需求的重視，能量密度更高的三元材料鋰離子電池市場占有率迅速提高，2020年一季度甚至達(dá)到76%的占比。從我國動(dòng)力電池發(fā)展路線來看，2023年之前，退役電池主要以磷酸鐵鋰鋰離子電池為主；2023年之后，將逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐匀牧箱囯x子電池為主。由于動(dòng)力電池往往來自不同的車輛，不僅結(jié)構(gòu)、性能不同，使用壽命也有很大差異，因此，當(dāng)前動(dòng)力電池梯次利用時(shí)，電池組的一致性較難控制。這是全世界范圍內(nèi)的一個(gè)技術(shù)難題，目前尚沒有高效、徹底和經(jīng)濟(jì)的解決方法，使得梯次利用電池組的運(yùn)行安全性遠(yuǎn)低于原電池組，且梯次利用的安全、循環(huán)壽命和再利用價(jià)值無法得到保證，電池組梯次利用在具體應(yīng)用層面和市場反應(yīng)遠(yuǎn)不及預(yù)期。

綜合來看，動(dòng)力電池梯次利用在未來發(fā)展中，還需繼續(xù)加強(qiáng)余能檢測、殘值評估、重組利用和安全管理等技術(shù)的研發(fā)，同時(shí)建立退役電池健康狀態(tài)、剩余能量檢測標(biāo)準(zhǔn)，以便快速高效地對電池進(jìn)行診斷。

3 動(dòng)力電池回收處理技術(shù)

根據(jù)電池類型不同，動(dòng)力電池的回收處理可分為鋰離子電池、鎳鎘電池、金屬氫化物/鎳電池和鉛酸電池等。鋰離子電池應(yīng)用廣泛，在動(dòng)力電池回收中占比最大，退役鋰離子電池經(jīng)過資源化回收處理，鎳、鈷、錳等金屬元素的回收率可以達(dá)到95%以上。廢舊動(dòng)力鋰離子電池的資源化回收主要集中在正極材料中的有價(jià)金屬提取，主要過程為：①徹底放電；②拆解分離出正負(fù)極、電解液和隔膜等組成部分；③對正極材料進(jìn)行堿浸出、酸浸出、除雜；④提取富集有價(jià)金屬。

對廢舊鋰離子電池的回收利用處理，包含拆解和分類回收兩大方向。鋰離子電池需在徹底完成放電后再進(jìn)行拆解，拆解的目的是將廢舊電池中的銅、鐵、鋁、塑料以及正負(fù)極材料分離，以便綜合利用，同時(shí)也要考慮隔膜及電解液的無害處理?，F(xiàn)有技術(shù)是將銅、鐵、鋁經(jīng)過簡單的機(jī)械粉碎后，磁選去除鐵，利用篩分將大部分的銅、鋁和正負(fù)極材料分開，達(dá)到粗分選產(chǎn)品的目的。接著，進(jìn)行金屬提取，按提取工藝可分為濕法、干法及生物回收。濕法工藝較復(fù)雜，包括浸出、萃取、沉淀等方式，但對有價(jià)金屬回收率高，獲得的物料相比熱處理方法更干凈，且可定向回收成品，對環(huán)境污染小，同時(shí)生產(chǎn)過程更容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和連續(xù)化，是目前的主流回收工藝；干法工藝是通過高溫爐將鋰離子電池材料進(jìn)行高溫還原冶煉，從而提取金屬或化合物，但由于能耗較高，且易造成二次污染，一般在金屬回收初步階段應(yīng)用；生物法工藝具有較多優(yōu)點(diǎn)，如成本較低、分離效果好、回收效率高、污染小等，但生物群落培養(yǎng)過程較繁瑣，目前仍處于開發(fā)研究階段，盡管是電池回收發(fā)展的理想方向，但依靠當(dāng)前的技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，目前仍無商業(yè)化應(yīng)用的案例。

4 利用實(shí)例及全生命周期評價(jià)中的設(shè)計(jì)應(yīng)用

當(dāng)前，我國迫切需要打造動(dòng)力電池“生產(chǎn)-銷售-使用-再利用”的閉環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈。目前國內(nèi)在動(dòng)力電池資源化回收應(yīng)用領(lǐng)域的龍頭企業(yè)主要是格林美和邦普循環(huán)。格林美作為行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)，構(gòu)建了從回收、梯次利用到再生利用的新能源全生命周期價(jià)值鏈。邦普循環(huán)則打造了上下游優(yōu)勢互補(bǔ)的全產(chǎn)業(yè)鏈循環(huán)體系，自主研發(fā)的動(dòng)力電池全自動(dòng)回收技術(shù)及裝備，為全球近20家整車企業(yè)提供動(dòng)力電池和電動(dòng)汽車整車回收服務(wù)。

從電動(dòng)汽車的全生命周期來看，除了充電環(huán)節(jié)，動(dòng)力電池在生產(chǎn)和回收環(huán)節(jié)也存在能耗和環(huán)境影響問題，因此，采用生命周期評價(jià)(LCA)對動(dòng)力電池進(jìn)行分析，具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。要降低電動(dòng)汽車的整個(gè)生命周期能耗值和礦產(chǎn)資源耗竭潛值，還需從以下幾個(gè)方面努力：①報(bào)廢回收階段是對原材料進(jìn)行回收再生的過程，直接減少了動(dòng)力電池全生命周期的礦產(chǎn)資源消耗，加強(qiáng)回收工作，意義重大；②改進(jìn)動(dòng)力電池回收工藝，提高金屬再生效率；③改進(jìn)動(dòng)力電池回收工藝，提高回收企業(yè)的投入產(chǎn)出比；④提高動(dòng)力電池比能量，減輕質(zhì)量，從源頭減少原料開采和獲??；⑤挖掘成本低廉、資源廣泛易得的電池材料，降低原料獲得難度。

實(shí)現(xiàn)梯次利用，需要對動(dòng)力電池的全生命周期進(jìn)行系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)搜集、技術(shù)整合、方案評估等。一方面，梯次利用企業(yè)應(yīng)充分協(xié)同上游的生產(chǎn)企業(yè)，對動(dòng)力電池從生產(chǎn)、使用到回收進(jìn)行全過程監(jiān)控，做好溯源管理；另一方面，梯次利用企業(yè)可優(yōu)化新電池的產(chǎn)品和性能設(shè)計(jì)，通過設(shè)計(jì)解決可持續(xù)問題，深入分析產(chǎn)業(yè)鏈上下游的需求，將外包裝的功能設(shè)計(jì)與藝術(shù)設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合，為動(dòng)力電池系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展服務(wù)。動(dòng)力電池外包裝設(shè)計(jì)中的功能訴求主要是保護(hù)電池和便于運(yùn)輸，如具有防水性、使用防漏層包裝以防止漏液等；外觀訴求主要是美觀和品牌展示。同時(shí)，在滿足功能設(shè)計(jì)和藝術(shù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，要考慮融合綠色設(shè)計(jì)的理念，即要考慮后端材料的可回收價(jià)值，使包裝材料得到最大化回收利用，并最小化對自然環(huán)境的污染。動(dòng)力電池的外包裝設(shè)計(jì)在服務(wù)整個(gè)回收體系和全生命周期中可發(fā)揮的空間還很大，有待繼續(xù)深入研究。

5 結(jié)語

動(dòng)力電池梯次利用與回收技術(shù)在當(dāng)前科技發(fā)展中具有十分重要的地位，在支撐社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境技術(shù)領(lǐng)域備受關(guān)注。進(jìn)行退役動(dòng)力電池的回收與再利用研究，在我國具有緊迫性和必要性，具有鮮明的需求導(dǎo)向、問題導(dǎo)向和目標(biāo)導(dǎo)向?！秳?dòng)力電池梯次利用與回收技術(shù)》一書題材新穎實(shí)用，內(nèi)容豐富，深入淺出，文字通俗易懂，具有較高的實(shí)用價(jià)值。本書可供從事電動(dòng)汽車動(dòng)力電池梯次利用、拆解回收利用的工程技術(shù)人員及管理人員閱讀，也可供從事電動(dòng)汽車動(dòng)力電池梯次利用、回收利用培訓(xùn)及高等院校、職業(yè)技術(shù)學(xué)院相關(guān)專業(yè)的師生參考。