新能源汽車動(dòng)力電池的回收與再利用技術(shù)研究

摘要：針對電池結(jié)構(gòu)與化學(xué)成分的不同開發(fā)回收再利用技術(shù)，通過物理分離、化學(xué)回收、熱解和冶煉等方法對廢舊電池進(jìn)行處理，將其分解為可再利用的材料。以典型案例對回收過程中的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測試與評估。結(jié)果表明，新能源汽車動(dòng)力電池的回收與再利用具有巨大潛力和重要性。通過開發(fā)高效地回收技術(shù)，能夠延長動(dòng)力電池的使用壽命，降低新能源汽車的成本，推動(dòng)綠色產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

關(guān)鍵詞：新能源汽車；動(dòng)力電池；回收再利用技術(shù)

中圖分類號：U469.7 收稿日期：2023-09-08

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.11.016

1 前言

新能源汽車已成為解決傳統(tǒng)燃油車排放和能源問題的重要方向。作為新能源汽車的核心部件，動(dòng)力電池起著儲存和釋放能量的關(guān)鍵作用[1]。然而，隨著新能源汽車市場的擴(kuò)大，動(dòng)力電池的回收與再利用問題也日益凸顯。本研究旨在探索和研究新能源汽車動(dòng)力電池的回收與再利用技術(shù)，以期為促進(jìn)可持續(xù)能源交通發(fā)展、減少資源浪費(fèi)和環(huán)境污染提供科學(xué)依據(jù)。通過對動(dòng)力電池的物理特性、化學(xué)組成以及回收與再利用過程中的技術(shù)挑戰(zhàn)和解決方案進(jìn)行深入研究，為未來動(dòng)力電池回收與再利用領(lǐng)域的研究提供有力支撐。

2 新能源汽車動(dòng)力電池的常見類型

a.鉛酸電池。鉛酸電池是最早被使用于電動(dòng)汽車的電池類型，其中鉛及其氧化物作為電極材料，硫酸溶液作為電解液。盡管成本低是其最大優(yōu)勢，但鉛酸電池的能量密度相對較低，體積和質(zhì)量相對較大，一次充電行駛里程較短，使用壽命也較短。

b.鎳氫電池。鎳氫電池是20世紀(jì)90年代快速發(fā)展起來的一種綠色電池，該電池具有高能量、長壽命、無污染等特點(diǎn)。與鉛酸電池相比，鎳氫電池有了較大提升，且具備較好的安全性。然而，鎳氫電池的充電效率一般，并且無法進(jìn)行高壓快充，因此在現(xiàn)階段鋰電池的流行下，鎳氫電池在汽車領(lǐng)域面臨被取代的趨勢。

c.鋰電池。該電池以鋰化合物（如錳酸鋰、磷酸鐵鋰等）為正極材料，石墨為負(fù)極材料。它具有重量輕、儲能大、無污染、無記憶效應(yīng)和長使用壽命等優(yōu)點(diǎn)。在相同體積和重量條件下，鋰電池的蓄電能力是鎳氫電池的1.6倍，且遠(yuǎn)未開發(fā)利用其全部潛力。然而，鋰電池在低溫環(huán)境下性能表現(xiàn)較差。

d.氫燃料電池。氫燃料電池以氫氣作為能源源泉，具有無污染、無噪聲、高效率等特點(diǎn)。該電池具有高能量密度和低溫表現(xiàn)優(yōu)勢，加氫速度快，只需5 min就能行駛超過公里。在所有電池類型中，氫燃料電池被認(rèn)為是非常理想的清潔能源。然而，氫燃料電池技術(shù)仍然面臨一些挑戰(zhàn)和改進(jìn)空間。

綜上所述，新能源汽車動(dòng)力電池的常見類型包括鉛酸電池、鎳氫電池、鋰電池和氫燃料電池。每種電池類型都有其特點(diǎn)和優(yōu)勢，未來的發(fā)展方向?qū)⑹翘岣吣芰棵芏?、使用壽命和安全性，以推?dòng)新能源汽車技術(shù)的進(jìn)一步創(chuàng)新和發(fā)展。

3 新能源汽車動(dòng)力電池回收的必要性

3.1 資源價(jià)值：回收和再利用電池中的重要元素

電池中包含著許多寶貴的元素和材料，通過回收和再利用這些元素，可以實(shí)現(xiàn)資源的有效利用和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展[2]。對于新能源汽車動(dòng)力電池而言，回收和再利用的工作變得尤為重要?；厥蘸驮倮娩嚹軌驕p少對有限鋰資源的依賴，并且可以降低成本。鎳和鈷是鋰電Ap/i8lvH7mEYM0Gye52zCunt6+rScGBNwCQqfMz8bDg=池中的另兩個(gè)重要元素，鎳和鈷的再利用可以緩解對這些稀缺資源的需求，并減少對環(huán)境的破壞。酸性電解液可以進(jìn)行處理和中和，再循環(huán)使用或者進(jìn)行資源化利用。對于氫燃料電池，通過回收和再利用其中的貴金屬催化劑如鉑、鈀和釕等，不僅能夠節(jié)約成本，還能夠減少對限量資源的需求。

3.2 環(huán)保價(jià)值：減少廢棄電池對環(huán)境的危害

廢棄電池對環(huán)境造成的危害是不可忽視的，因此減少廢棄電池對環(huán)境的危害具有重要的環(huán)保價(jià)值。首先，廢棄電池中含有許多有害物質(zhì)，如重金屬、酸性物質(zhì)和有機(jī)溶劑等。這些物質(zhì)在環(huán)境中積累和釋放會導(dǎo)致土壤、水源和空氣污染，對生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性造成威脅。通過有效管理和處理廢棄電池，通過回收和再利用這些材料，可以實(shí)現(xiàn)資源的有效利用，減少對自然資源的開采和消耗。

3.3 經(jīng)濟(jì)價(jià)值：節(jié)約能源和減少對原材料的依賴

廢棄電池的回收和再利用不僅有環(huán)保價(jià)值，還具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，尤其是在節(jié)約能源和減少對原材料依賴方面。首先，回收和再利用廢棄電池可以有效地節(jié)約能源，通過回收和再利用廢棄電池中的金屬和材料，可以節(jié)約這些原始能源的使用。其次，廢棄電池的回收和再利用也可以減少對原材料的依賴。電池生產(chǎn)使用的原材料往往來自礦石開采，在這個(gè)過程中伴隨著資源的浪費(fèi)和環(huán)境的破壞。通過回收和再利用廢棄電池中的金屬和材料，可以減少對這些有限資源的需求，達(dá)到資源的循環(huán)利用和延長使用壽命的效果。

4 新能源汽車動(dòng)力電池回收技術(shù)的研究與實(shí)踐

4.1 回收技術(shù)的現(xiàn)狀分析

目前，動(dòng)力電池回收技術(shù)正面臨著一系列挑戰(zhàn)和發(fā)展困境[3]。首先，針對梯次利用方面的技術(shù)，目前僅有磷酸鐵鋰電池可以通過梯次利用的方式繼續(xù)利用。主要原因是磷酸鐵鋰電池具有較低的能量密度和循環(huán)壽命，不適用于新能源汽車，但適合儲能等其他領(lǐng)域使用。然而，隨著時(shí)代的發(fā)展，三元材料的電池逐漸占據(jù)了新能源汽車市場的主流，并且其高能量密度使其在儲能領(lǐng)域表現(xiàn)出色。因此，研發(fā)出能夠有效利用退役三元材料電池的梯次利用技術(shù)將成為未來的重要研究方向。

其次，針對拆解回收方面的技術(shù)，提升回收效率和保證資源回收純度是當(dāng)前的關(guān)鍵問題。動(dòng)力電池拆解需要經(jīng)過嚴(yán)格的工藝和設(shè)備支持，以確保安全和高效地提取可再生資源。目前尚需要進(jìn)一步完善拆解技術(shù)，提高處理效率，降低成本。

在回收技術(shù)的現(xiàn)狀分析中，需要強(qiáng)調(diào)的是，動(dòng)力電池回收技術(shù)仍處于發(fā)展階段，其進(jìn)一步提升還需要產(chǎn)業(yè)界、科研機(jī)構(gòu)和政府的共同努力。通過持續(xù)的創(chuàng)新和合作，可以改善廢棄電池的環(huán)境影響，實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用，為新能源汽車產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展提供有力支持。

4.2 典型回收技術(shù)的案例研究

隨著中國雙碳目標(biāo)的推進(jìn)，新能源汽車消費(fèi)持續(xù)增長，動(dòng)力電池回收成為解決環(huán)保問題和補(bǔ)充上游資源的重要手段。在動(dòng)力電池回收領(lǐng)域，梯次利用和拆解回收是兩種主要的技術(shù)路徑。以下將通過案例研究來探討這兩種技術(shù)的應(yīng)用。

以某鋰電池制造企業(yè)為例，該公司致力于梯次利用廢舊動(dòng)力電池，開發(fā)應(yīng)用于儲能電站、UPS（不間斷電源）等領(lǐng)域的整包級梯次產(chǎn)品。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅2020年，申請用于市政路燈、工程機(jī)械及低速電動(dòng)車等領(lǐng)域的梯次產(chǎn)品達(dá)到3萬余組。

另一方面，格林美還通過再生利用廢舊動(dòng)力電池中的有價(jià)金屬資源，用于生產(chǎn)三元前驅(qū)體與正極材料。據(jù)數(shù)據(jù)顯示，每年可以再生利用超過5 000 t金屬鈷和10 000 t金屬鎳。通過充分回收廢舊電池中的有價(jià)金屬資源，不僅減少了對原始礦石的依賴，也為電池制造企業(yè)提供了可持續(xù)發(fā)展所需要的原材料。

需要指出的是，《新能源汽車動(dòng)力蓄電池回收利用管理暫行辦法》明確了在保證安全可控前提下，先進(jìn)行梯次利用，再進(jìn)行拆解回收的原則。梯次利用是對廢舊動(dòng)力蓄電池進(jìn)行檢測、分類、拆分，并根據(jù)電池的預(yù)期壽命和剩余容量，修復(fù)或重組為梯次利用電池產(chǎn)品，使其可以應(yīng)用于其他領(lǐng)域。而沒有再次利用價(jià)值的鋰電池則進(jìn)入拆解報(bào)廢階段，通過化學(xué)、物理等手段進(jìn)行拆解回收，并回收其中的可利用資源。

4.3 回收技術(shù)的發(fā)展趨勢和挑戰(zhàn)

近年來，國內(nèi)電池回收行業(yè)取得了顯著的發(fā)展，主要由第三方回收企業(yè)和與車企合作開拓回收渠道的方式推動(dòng)。根據(jù)行業(yè)規(guī)范，目前有47家符合條件的正規(guī)電池回收企業(yè)，其中包括5家上市公司。同時(shí)，越來越多的企業(yè)形成了產(chǎn)業(yè)鏈間的合作聯(lián)盟，從動(dòng)力電池企業(yè)、材料企業(yè)到再生利用企業(yè)，形成了一個(gè)相互支持、協(xié)同發(fā)展的生態(tài)系統(tǒng)。在國家“十四五”循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃的政策宣導(dǎo)下，2021年全年新增了4 200家電池回收相關(guān)企業(yè)，同比增長72.7%。

根據(jù)預(yù)測，退役電池將驅(qū)動(dòng)鋰電回收市場的發(fā)展。由于新能源汽車動(dòng)力電池平均壽命約為5～8年，中國自2018年開始進(jìn)入大規(guī)?；瘎?dòng)力電池退役階段。全球動(dòng)力電池回收行業(yè)規(guī)模預(yù)計(jì)在2025年達(dá)到122億美元，在2023年達(dá)到181億美元。同時(shí)，磷酸鐵鋰電池作為市場主流逐漸崛起，其回收市場空間巨大。根據(jù)預(yù)測，2025年國內(nèi)磷酸鐵鋰電池需求量將達(dá)到211.2萬t，年均復(fù)合增速達(dá)44%。此外，預(yù)計(jì)2020～2030年，三元電池累計(jì)回收空間在現(xiàn)價(jià)情況下將達(dá)到1 305億元。

然而，電池回收行業(yè)仍面臨著許多挑戰(zhàn)。例如，回收能力有限，導(dǎo)致大量廢舊電池流入其他渠道，環(huán)保隱患凸顯；同時(shí)，上游資源供需錯(cuò)配的問題依然存在。因此，推動(dòng)電池回收技術(shù)的發(fā)展需要進(jìn)一步加強(qiáng)行業(yè)監(jiān)管，提高回收效率，并加強(qiáng)與上中下游企業(yè)的協(xié)作，構(gòu)建一個(gè)更加穩(wěn)定和可持續(xù)的循環(huán)經(jīng)濟(jì)體系。

5 新能源汽車動(dòng)力電池的再利用策略與技術(shù)

5.1 再利用的必要性及可能的應(yīng)用領(lǐng)域

新能源汽車動(dòng)力電池的回收和再利用具有重要的必要性和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

首先，回收和再利用廢舊電池可以減少對自然資源的開采。新能源汽車電池中含有鋰、鎳、鈷等稀缺資源，通過回收這些廢舊電池，可以提取出其中的有價(jià)值物質(zhì)，再次利用于制造新的動(dòng)力電池，減少資源消耗和開采壓力，實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用。

其次，廢舊電池的回收和再利用可以降低對環(huán)境的污染。廢舊電池中含有有害物質(zhì)如重金屬和有機(jī)物，若隨意丟棄或填埋，會對土壤和水源造成嚴(yán)重污染。通過科學(xué)有效的回收和再利用技術(shù)，可以將廢舊電池中的有害物質(zhì)進(jìn)行處理和分離，減少對環(huán)境的危害，保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的健康。

再次，回收和再利用廢舊電池有助于建立循環(huán)經(jīng)濟(jì)體系。在回收過程中，通過適當(dāng)?shù)奶幚砗图庸ぃ瑥U舊電池可以轉(zhuǎn)化為新能源汽車電池的原材料。回收后的電池可以經(jīng)過合適的安全檢測和測試，用于再次組裝成次生儲能產(chǎn)品，如儲能系統(tǒng)、家庭能源存儲設(shè)備等，以滿足更多的能源需求。同時(shí)，廢舊電池中還存在可回收的金屬材料，可用于制造新的電池和其他工業(yè)產(chǎn)品。

綜上所述，回收和再利用新能源汽車動(dòng)力電池是一項(xiàng)具有重要意義的工作。通過減少對自然資源的開采、降低環(huán)境污染、建立循環(huán)經(jīng)濟(jì)體系，能夠?qū)崿F(xiàn)對資源的有效利用和對環(huán)境的保護(hù)，推動(dòng)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。同時(shí)，加強(qiáng)研發(fā)和應(yīng)用再利用技術(shù)，促進(jìn)電池回收產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，將為推動(dòng)綠色轉(zhuǎn)型和構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展的社會做出積極貢獻(xiàn)。

5.2 常見再利用技術(shù)的研究與實(shí)踐

再利用新能源汽車動(dòng)力電池的常見技術(shù)包括儲能系統(tǒng)、光伏發(fā)電和電動(dòng)車換電站。這些技術(shù)在新能源汽車動(dòng)力電池的二次利用過程中，可以提供重要的解決方案，減少資源浪費(fèi)，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。

a.儲能系統(tǒng)。廢舊動(dòng)力電池可以通過儲能系統(tǒng)進(jìn)行二次利用，將電池儲存起來，并在能量需求高峰時(shí)釋放電能，以減小對電網(wǎng)的壓力。儲能系統(tǒng)的應(yīng)用范圍廣泛，可應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通等領(lǐng)域，提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)和儲能解決方案。雖然國內(nèi)儲能系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域目前相對較窄，但其未來發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

b.光伏發(fā)電技術(shù)。光伏發(fā)電是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于民用電器、汽車、移動(dòng)通信等領(lǐng)域。在新能源汽車電池的二次利用過程中，將廢舊電池與光伏發(fā)電技術(shù)結(jié)合，將電池存儲的能量轉(zhuǎn)化為電能，為電網(wǎng)提供可再生能源。這種技術(shù)的應(yīng)用將減少對傳統(tǒng)能源的依賴，降低碳排放，促進(jìn)清潔能源的普及。

c.電動(dòng)車換電站。電動(dòng)車換電站通過快速更換電池的方式，解決電動(dòng)車?yán)m(xù)航能力不足的問題。在電動(dòng)車換電站的建設(shè)過程中，廢舊電池可以修復(fù)后重新利用，減少資源浪費(fèi)。電動(dòng)車換電站的發(fā)展?jié)摿薮?，解決了電動(dòng)車充電時(shí)間長、續(xù)航里程短的問題，推動(dòng)了電動(dòng)車行業(yè)的發(fā)展，并為可持續(xù)交通做出了貢獻(xiàn)。

這些再利用技術(shù)的研究和實(shí)踐對于實(shí)現(xiàn)資源循環(huán)利用、降低能源消耗和環(huán)境污染具有重要意義。通過二次利用廢舊電池，可以降低對稀缺資源的需求，減少環(huán)境污染，并為節(jié)能減排做出貢獻(xiàn)。未來，隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新和應(yīng)用的推廣，這些再利用技術(shù)將在新能源汽車產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮更加重要的作用，助力可持續(xù)發(fā)展的實(shí)現(xiàn)。

5.3 再利用技術(shù)的發(fā)展趨勢和挑戰(zhàn)

新能源汽車動(dòng)力電池的再利用技術(shù)在近年來取得了顯著的進(jìn)展，然而依然面臨發(fā)展和挑戰(zhàn)。以下將從技術(shù)進(jìn)展、市場需求和環(huán)境壓力等方面進(jìn)行分析。

首先，再利用技術(shù)方面，鋰電池回收技術(shù)得到了廣泛關(guān)注和研發(fā)。通過物理、化學(xué)和冶金等方法，可以實(shí)現(xiàn)廢舊動(dòng)力電池的解體、循環(huán)利用和資源回收。為了提高新能源汽車的續(xù)航里程，降低電池成本和重量，未來動(dòng)力電池將向高能量密度的材料發(fā)展。這主要包括高鎳、高錳、高鈷和高硅等高性能材料。通過研發(fā)新的正負(fù)極材料，提高其儲能能力和循環(huán)壽命，可以大幅提升動(dòng)力電池的能量密度。其次，為了實(shí)現(xiàn)快速充放電，需要解決電極材料的導(dǎo)電性、擴(kuò)散性和穩(wěn)定性限制，通過使用導(dǎo)電添加劑、納米結(jié)構(gòu)和固態(tài)電解質(zhì)等技術(shù)手段，提高電極材料的充放電速率和循環(huán)穩(wěn)定性。

然而，鋰電池再利用技術(shù)仍面臨一些挑戰(zhàn)。首先，回收過程中涉及的技術(shù)和設(shè)備還需要進(jìn)一步完善和提高效率，以實(shí)現(xiàn)更高的回收率和降低成本。其次，廢舊電池的分類、收集和運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)也需要加強(qiáng)管理和規(guī)范，以確保安全和環(huán)保。此外，新能源汽車動(dòng)力電池的再利用還需要解決循環(huán)材料的質(zhì)量、性能和可靠性等問題，以保證再利用產(chǎn)品符合應(yīng)用要求。

6 動(dòng)力電池回收與再利用的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益

從經(jīng)濟(jì)角度來看，動(dòng)力電池的回收與再利用可以實(shí)現(xiàn)資源的節(jié)約和循環(huán)利用，減少對稀有金屬等原材料的需求?；厥绽脧U舊電池中的有價(jià)金屬、稀有材料和高純度材料，可以降低新電池生產(chǎn)成本，并提供穩(wěn)定的供應(yīng)。根據(jù)最新數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至去年底，我國新能源汽車的累計(jì)報(bào)廢數(shù)量達(dá)到了51萬輛，同時(shí)伴隨著報(bào)廢的動(dòng)力電池量也達(dá)到了24.4 GW·h。在這些報(bào)廢動(dòng)力電池中，磷酸鐵鋰電池占據(jù)了總量的56.6%，而三元電池則占據(jù)了39.8%。這兩種類型的電池是目前新能源汽車主要采用的動(dòng)力電池。新能源汽車動(dòng)力電池報(bào)廢情況如圖1所示。

如圖1所示，根據(jù)預(yù)測，按照電池約8年的使用壽命計(jì)算，到2025年左右我國將迎來動(dòng)力電池退役高峰。圖1呈現(xiàn)了目前新能源汽車動(dòng)力電池累計(jì)報(bào)廢量以及其占比情況。這些數(shù)據(jù)反映了動(dòng)力電池報(bào)廢情況的大致分布情況，到2025年，隨著更多電池達(dá)到壽命并退役，動(dòng)力電池回收管理的重要性將進(jìn)一步凸顯。

其次，從環(huán)境保護(hù)的角度來看，動(dòng)力電池的回收與再利用可以減少對自然資源的開采和消耗，降低環(huán)境破壞的程度。廢棄電池如果不經(jīng)過合理處理，可能會對大氣、水和土壤造成污染。而回收再利用可以減少廢棄電池對環(huán)境的影響，有效防止有害物質(zhì)的釋放和傳播。

動(dòng)力電池回收與再利用也符合國家政策和法規(guī)的要求。隨著新能源汽車市場的發(fā)展和規(guī)模擴(kuò)大，國家對動(dòng)力電池回收利用的管理不斷加強(qiáng)。政府出臺了一系列支持和規(guī)范電池回收行業(yè)的政策措施，推動(dòng)企業(yè)提升技術(shù)水平，建立健全的回收利用體系，并加強(qiáng)監(jiān)管和評估。這為動(dòng)力電池回收與再利用提供了良好的政策環(huán)境和市場前景。

7 結(jié)語

新能源汽車動(dòng)力電池的回收與再利用具有巨大的潛力和重要性。通過開發(fā)高效的回收技術(shù)，能夠顯著延長動(dòng)力電池的使用壽命，降低新能源汽車的成本，同時(shí)推動(dòng)綠色產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，這將有助于減少對稀缺資源的依賴，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展，因此，加強(qiáng)對新能源汽車動(dòng)力電池的回收與再利用技術(shù)的研究和推廣，對于實(shí)現(xiàn)資源循環(huán)利用和建設(shè)可持續(xù)發(fā)展社會具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

［1］穆東，楊健，李欣.閉環(huán)供應(yīng)鏈企業(yè)合作對新能源汽車動(dòng)力電池回收與再利用的影響[J].供應(yīng)鏈管理，2021，2（1）：54-67.

［2］葉鑫，劉科妤，廖紹雄，等.新能源汽車動(dòng)力電池回收模式與發(fā)展趨勢研究[J].汽車測試報(bào)告，2022（18）：68-70.

［3］姚錦.新能源汽車退役動(dòng)力電池回收利用存在問題與對策分析[J].大眾商務(wù)，2022（17）：199-201.

作者簡介：

呂龍，男，1988年生，助教，研究方向?yàn)樾履茉雌嚰夹g(shù)教學(xué)。