新能源汽車廢舊電池污染及治理研究

高 燁

（烏魯木齊市機(jī)動車排污管理中心 新疆烏魯木齊 830000）

引言

2022 年，我國新能源汽車保有量為1310 萬輛，占汽車總量的4.1%，新能源汽車保有量較2021 年增長了67.13%，新能源汽車呈現(xiàn)高速增長態(tài)勢。新能源汽車的快速增長，也帶動了新能源電池的生產(chǎn)、使用。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)新能源汽車動力電池剩余80%容量時，即可“退役”，因此我國有一大批新能源汽車動力蓄電池也進(jìn)入了規(guī)?；艘燮赱1]。

據(jù)統(tǒng)計，2022 年我國退役動力電池達(dá)53 萬t（見表1），到2028 年這一數(shù)據(jù)或?qū)⒊^260 萬t/a。由于“退役”的新能源汽車電池中含有電解液、重金屬等物質(zhì)，隨意丟棄至周邊環(huán)境，暴露在空氣中，電池中含有的多種揮發(fā)性有機(jī)物、具有腐蝕性含氟化合物，不僅會破壞生態(tài)環(huán)境，還會污染水體、土壤。

表1 2018～2022年我國新能源汽車保有量及“退役”電池量情況

為有效回收處理“退役”電池，我國有關(guān)部門聯(lián)合發(fā)起了“十城千輛節(jié)能與新能源汽車示范推廣應(yīng)用工程”，計劃分3 批次、在深圳、合肥、北京等25 個城市試點(diǎn)集中開展動力蓄電池回收工作。此外，《工業(yè)領(lǐng)域碳達(dá)峰實施方案》也提出要推動新能源汽車動力電池回收利用體系建設(shè)。

1 新能源汽車廢舊電池污染物成分

從動力電池類型來看，新能源汽車的動力電池類型有鉛酸電池、鋰電池、鎳氫和鎳鎘電池[2]。目前，絕大多數(shù)新能源汽車采用鋰電池作為動力電池。鋰電池是以鋰離子聚合物為電池材料，具有壽命長、容量大等特點(diǎn)，但廢舊車用鋰電池如果處置不當(dāng)，也會給周圍環(huán)境產(chǎn)生污染問題。

鋰電池由正極材料、負(fù)極材料、電解質(zhì)、電解液和隔膜組成。其中，正極材料通常是由磷酸鐵鋰和三元鋰聚合物組成；負(fù)極材料主要是碳系；電解質(zhì)為LiPF6；電解質(zhì)主要是碳酸脂類。不同的組分元素，其構(gòu)成成份及潛在風(fēng)險不同，詳見表2。

表2 新能源汽車廢舊電池成分及質(zhì)量估算[3]

從表2 可知，無論是碳酸鋰電池，還是三元鋰電池，電池組件中的一些成分都具有危害性。如，活性正極中含有的鎳、錳、鈷等重金屬元素，處置不當(dāng)，隨意丟棄在自然環(huán)境中會使土壤環(huán)境重金屬污染物含量增大。含聚氟偏乙烯粘合劑在高溫條件下會釋放出氟碳、氟化氫等有毒有機(jī)物，影響動植物生長；含LiPF6電解質(zhì)長期暴露于空氣環(huán)境中會分解釋放PF5腐蝕性有毒氣體；碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯電解液對皮膚、眼睛及呼吸系統(tǒng)均具有刺激作用，不慎入眼或呼吸系統(tǒng)，會損傷眼睛和呼吸道；塑料制品自然條件下不易分解會大量累積，影響土壤生態(tài)系統(tǒng)功能，破壞生態(tài)環(huán)境。從新能源汽車廢舊電池成分質(zhì)量比來看，碳酸鐵鋰電池中的活性正極、石墨和銅、鋁、電解液占比較大，三元鋰電池則是活性正極、石墨、銅、電解液占比較大。因此，需采取有效措施，降低新能源汽車廢舊鋰電池中的鎳、錳、鈷等重金屬元素，以及電解液污染。

2 新能源汽車廢舊電池污染成因及危害

根據(jù)新能源汽車廢舊鋰離子電池組成及其加工生產(chǎn)流程，廢舊鋰電池污染環(huán)境的成因主要有正負(fù)極材料、電解液、固體垃圾3 種類型。

2.1 正負(fù)極材料

廢舊鋰離子電池正負(fù)極材料中含有很多具有一定污染環(huán)境的物質(zhì)材料。其中，正極材料中雖含有三元材料、鈷酸鋰、碳酸鐵鋰、鎳鈷鋁酸鋰等材料，但沒有重金屬元素，因此與傳統(tǒng)鉛酸電池相比，廢舊鋰電池正極材料環(huán)境危害較小，屬輕度污染型[4]。負(fù)極材料中含有大量硅基、錫基材料及石墨、鈦酸鋰等，其中石墨為天然石墨或人工制成石墨，一般利用浮選回收工藝，會造成一定程度的環(huán)境污染，但污染相對較輕，屬輕度污染型。

2.2 電解液

新能源汽車廢舊鋰電池中的電解液是由鉀鹽和有機(jī)溶劑組成。廢舊鋰電池中含醚類、酯類、碳酸脂類有機(jī)溶劑，如二甲氧基乙烷（DME）、碳酸乙烯酯（EC）、碳酸丙烯酯（PC）等；六氟砷酸鋰（LiAsF6）、六氟磷酸鋰（LPF6）、高氯酸鋰（LiClO4）、四氟硼酸鋰（LiBF4）等電解質(zhì)鋰鹽；聯(lián)苯（BP）、乙酸乙酯（EA）和碳酸亞乙烯酯（VC）等添加劑。電解液中碳酸二甲酯具有輕度污染，六氟磷酸鋰遇水會產(chǎn)生具有毒性的氟化氫，與空氣混合后易爆炸。

除此之外，進(jìn)入環(huán)境的電解質(zhì)鋰鹽會發(fā)生分解、水解、燃燒等化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生含氟、磷、砷等化合物，造成氟/磷/砷污染，而且這些有害物質(zhì)溶于水還會加劇水源污染，危害人體健康。新能源廢舊鋰離子電池電解液組分及危害如表3所示。

表3 新能源廢舊鋰離子電池電解液組分及危害[5]

2.3 固體垃圾

新能源廢舊鋰電池拆解會產(chǎn)生固體垃圾。其中，外殼材料固體垃圾有鋁殼、鋼殼、塑料殼、鋁塑膜，且外殼材料中的塑料殼、鋁塑膜會造成白色污染，難以分解，對環(huán)境的危害較久；粘接劑產(chǎn)生的固體垃圾有聚偏氟乙烯（PVdF）、丁苯橡膠（SBR）、烯酸類等也會造成白色污染；聚烯烴類固體垃圾——微孔薄膜，屬于白色污染隔膜，也會產(chǎn)生白色污染。

由于這些白色污染大多為不可回收類廢品，如果直接倒入周邊土壤或長期堆放，夏季溫度較高時這些白色污染物未經(jīng)遮擋或防護(hù)處置，會向周邊環(huán)境釋放出有毒有害氣體，造成大氣環(huán)境污染。另外，如果這些白色污染物類的固體垃圾堆放時間過久，還會與其他生活垃圾一起變質(zhì)發(fā)酵、腐爛，產(chǎn)生細(xì)菌、寄生蟲以及惡臭氣味，不僅影響環(huán)境，而且會加大季節(jié)性傳染病的傳播風(fēng)險。

3 新能源汽車廢舊電池污染防治措施

當(dāng)前我國新能源汽車動力電池正進(jìn)入集中“退役期”，越來越多的新能源廢舊電池需要處理。因此，廢舊電池已成為環(huán)境污染的一大隱患，需從技術(shù)、政策、機(jī)制等方面綜合施策，切實做好廢舊電池污染防治，為生態(tài)環(huán)境保護(hù)盡一份力。

3.1 優(yōu)化廢舊電池全方位模式管理

目前，我國有關(guān)部門已在新能源汽車發(fā)展較快的城市，積極推進(jìn)新能源汽車動力蓄電池回收工作，如廣州、深圳、合肥等地已在新能源廢舊電池管理方面積累了諸多成功經(jīng)驗，形成較為典型的管理模式。

廢舊電池管理模式主要有綜合利用模式、互聯(lián)網(wǎng)回收模式、信息化管理模式、第三方評估模式和行業(yè)聯(lián)盟模式，因此可持續(xù)優(yōu)化廢舊電池全方位管理模式，揚(yáng)長避短，加以推廣。如，優(yōu)化“互聯(lián)網(wǎng)+”綜合回收利用管理模式，利用互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)，全面鏈接新能源廢舊電池回收網(wǎng)點(diǎn)、電池生產(chǎn)廠商、汽車整車生產(chǎn)商、資源回收利用企業(yè)及梯次利用企業(yè)，將回收的廢舊電池按照其狀況分別進(jìn)行梯次利用或拆解利用，最大限度發(fā)揮其再利用價值，做好新能源汽車廢舊電池全產(chǎn)業(yè)鏈管理；同時，也可將這些管理模式方法進(jìn)一步優(yōu)化完善，著力構(gòu)建符合更廣大地區(qū)城市廢舊電池管理，實現(xiàn)城市廢舊電池管理更加科學(xué)化、規(guī)范化。建立廢舊電池可追溯機(jī)制，壓實電池生產(chǎn)廠商、汽車企業(yè)回收責(zé)任。

建立廢舊電池信息共享平臺，利用信息技術(shù)，打造新能源汽車電池使用、報廢、轉(zhuǎn)移、存儲、利用、回收監(jiān)督途徑。

3.2 強(qiáng)化廢舊電池全鏈條環(huán)境防治

從新能源汽車動力電池生產(chǎn)、使用及新技術(shù)探索等，全鏈條做好廢舊電池環(huán)境污染防治工作。首先，加大鎳、鋰、鈷、銅等礦產(chǎn)資源開采監(jiān)管力度，提升礦產(chǎn)資源質(zhì)量，提高電池原料品質(zhì)。其次，妥善做好廢舊電池回收利用處理，積極推廣梯級利用模式，并利用廢舊電池余能檢測技術(shù)，按照《新能源汽車動力蓄電池回收利用管理暫行辦法》“優(yōu)先梯級利用”原則，經(jīng)檢測余能達(dá)80%以上的，可通過增容或修復(fù)提升其性能；余能低于80%，但高于20%的，可用于低端汽車或其他儲能領(lǐng)域；余能低于20%的，可直接對其做報廢并拆解處理。再次，做好余能降低廢舊電池的拆解回收，利用破碎浮選、機(jī)械研磨、有機(jī)溶劑溶解、微生物降解等方法，對廢舊電池進(jìn)行拆解回收及處理，其中濕法冶金技術(shù)處理廢舊鋰電池應(yīng)用效率高、能耗低，技術(shù)較成熟。最后，加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新探索其他新能源汽車產(chǎn)業(yè)模式[6]，如鈉電池、鋁電池及氫能，可將氫作為能量載體，實現(xiàn)場景應(yīng)用。

此外，還應(yīng)積極推動廢舊電池回收利用技術(shù)，形成電池廠商、車企與回收企業(yè)電池生產(chǎn)與處置全鏈條管理，將生態(tài)環(huán)保理念和技術(shù)應(yīng)用其中，延伸生產(chǎn)者責(zé)任機(jī)制。

3.3 制定廢舊電池污染防治政策

新能源汽車廣泛應(yīng)用是時代發(fā)展進(jìn)步的體現(xiàn)，也是生態(tài)環(huán)保理念在汽車領(lǐng)域具體且生動實踐。目前，針對廢舊電池污染防治，國家層面已出臺了一系列鼓勵性的政策措施，因此相關(guān)職能部門也應(yīng)緊跟時代發(fā)展步伐，加快出臺具體的政策措施，尤其是新能源汽車廢舊電池回收方面的激勵政策，充分調(diào)動電池生產(chǎn)、經(jīng)營和使用各方積極性，促進(jìn)生產(chǎn)者、經(jīng)營者和消費(fèi)者參與到廢舊電池回收。

國家還要在財政、稅收、環(huán)保等方面，制定條例或規(guī)章制度，進(jìn)一步明確廢舊電池回收責(zé)任主體，以及違反相關(guān)規(guī)定應(yīng)承擔(dān)的責(zé)任；同時，加大環(huán)境管理及執(zhí)法力度，進(jìn)一步規(guī)范廢舊電池回收、拆解及利用流程，切實做好回收拆解環(huán)節(jié)生態(tài)環(huán)保措施，以及積極建立廢舊電池回收企業(yè)名錄，實行資格準(zhǔn)入機(jī)制，規(guī)范行業(yè)管理。

結(jié)語

綜上，隨著我國新能源汽車的快速發(fā)展，大量退役廢舊動力電池所產(chǎn)生的環(huán)境問題凸顯。因此，在對新能源汽車廢舊電池污染治理時，既要全面分析廢舊電池污染物成分，了解不同成分的環(huán)境危害，還要把握廢舊電池的污染成因，然后在此基礎(chǔ)上，綜合施策，從技術(shù)、政策、機(jī)制等方面妥善處理好廢舊電池回收利用工作，切實做好污染防治工作，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)共贏。