王天雅 宋端梅 賀文智 李光明

1.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

2.上海污染控制與生態(tài)安全研究院

0 引言

圖1 2016年～2025年磷酸鐵鋰和三元鋰電池報(bào)廢量預(yù)測[1]

鋰電池作為高性能電池在新能源汽車中得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，新能源汽車呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。新能源汽車動力鋰電池的循環(huán)次數(shù)在500次～2 000次之間，在達(dá)到3年～5年的使用期限后將會報(bào)廢，2018年就已有大量待處理的報(bào)廢電池，預(yù)計(jì)到2025年，報(bào)廢動力電池將達(dá)到136萬t，其中磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池報(bào)廢量預(yù)測如圖1所示。iphone X的1 300倍[3]，即便是退役動力電池的電池容量也是初始容量的20%～80%，由此，引起了相關(guān)產(chǎn)業(yè)對動力鋰電池回收及電池材料再利用的重視。動力鋰電池中含有大量高經(jīng)濟(jì)價值的稀土元素和有色金屬，如鈷、鋰、鎳、銅、鋁等，金屬含量高于礦石[4]，回收利用廢舊動力電池中的不可再生資源，不僅具有重要的經(jīng)濟(jì)價值，還可以緩解當(dāng)前礦產(chǎn)資源緊缺、保護(hù)我國寶貴的礦產(chǎn)資源，且對降低電池的生產(chǎn)成本、推動電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展等方面都有著巨大的意義。所以，廢舊動力鋰電池的回收再利用不僅能解決環(huán)境問題，還能帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益。

1 廢舊動力鋰電池回收政策

盡管動力鋰電池是綠色電源，但其含有害的成分進(jìn)入環(huán)境后會帶來嚴(yán)重的污染，如果將廢舊動力鋰電池進(jìn)行焚燒處理，會產(chǎn)生重金屬含量很高的煙氣，且電解液和隔膜還會產(chǎn)生大量的有毒氣體。如果將其掩埋，則會造成動力電池中電解液的泄漏，鋰離子電解液中的LiPF6遇到水會產(chǎn)生氟化氫（HF），HF為劇毒氣體，電池中的電解液及重金屬會成為污染土壤和地下水的永久隱患，對環(huán)境和人類健康也會造成嚴(yán)重的威脅[2]。與此同時，新能源汽車所搭載的鋰電池能量為一部廢舊動力鋰電池所具有的高環(huán)境危害性和高資源回收價值引起了政府及相關(guān)企業(yè)的高度重視，并催生了一系列動力鋰電池回收政策。2012年，國務(wù)院印發(fā)《節(jié)能與新能源汽車發(fā)展產(chǎn)業(yè)規(guī)劃》要求，提高新能源汽車產(chǎn)量以及加強(qiáng)動力電池梯級利用和回收管理。2014年，國務(wù)院辦公廳頒布《關(guān)于加快新能源汽車推廣應(yīng)用的指導(dǎo)意見》提出要制定電池回收政策、健全電池回收體系。2016年，國務(wù)院辦公廳印發(fā)《生產(chǎn)者責(zé)任延伸制度推行方案》，從頂層設(shè)計(jì)角度對再生資源進(jìn)行規(guī)范，在電器電子、汽車、鉛酸蓄電池和包裝領(lǐng)域?qū)嵤┥a(chǎn)者責(zé)任延伸制度。2016年，國家發(fā)改委、工信部、環(huán)保部等部門聯(lián)合發(fā)布《電動汽車動力蓄電池回收利用技術(shù)政策》，對電動汽車動力電池設(shè)計(jì)生產(chǎn)、回收、梯次利用、再生利用等方面均做出了詳細(xì)的規(guī)定。2017年，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會等部門先后頒布《電動汽車用動力電池產(chǎn)品規(guī)格尺寸》《汽車動力電池編碼規(guī)則》《車用動力電池回收利用拆解規(guī)范》和《車用動力電池回收利用余能檢測》，進(jìn)一步明確了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。2018年，工信部、科技部、環(huán)保部、交通運(yùn)輸部、商務(wù)部、質(zhì)檢總局、能源局等部門聯(lián)合發(fā)布《新能源汽車動力蓄電池回收利用管理暫行辦法》規(guī)定，車企承擔(dān)動力電池回收的主體責(zé)任，以產(chǎn)品編碼標(biāo)準(zhǔn)和溯源信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)電池來源可查、去向可追、節(jié)點(diǎn)可控、責(zé)任可究，構(gòu)建全生命周期管理機(jī)制。表1詳細(xì)列出了近年來與廢舊動力電池相關(guān)的政策文件，這些政策的出臺使我國動力電池回收的標(biāo)準(zhǔn)體系得以建立，促進(jìn)了行業(yè)集中化、規(guī)范化的發(fā)展。

2 動力電池回收處理技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性分析

動力鋰電池的諸多特殊性，在回收利用過程中需要配套系統(tǒng)化的回收模式以及規(guī)范化的處理技術(shù)?！缎履茉雌噭恿π铍姵鼗厥绽霉芾頃盒修k法》提出將廢舊動力電池開展多層次、多用途的合理利用，遵循優(yōu)先梯級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。廢舊動力鋰電池在經(jīng)過余能檢測后，根據(jù)電池的余能狀態(tài)可進(jìn)行不同能量區(qū)段的應(yīng)用（見圖2）。

表1 涉及廢動力鋰電池的相關(guān)政策性文件

圖2 動力電池能量應(yīng)用區(qū)段[5]

余能大于80%的廢棄動力鋰電池依舊符合電動汽車使用要求，通過原位修復(fù)和增容技術(shù)等處理，可回用于汽車或其它低耗能車輛。余能介于20%～80%的電池不能滿足原級別電動汽車的需求，但仍具有可觀的儲能能力，可在靜態(tài)電源中梯級利用（如小型蓄能電站，或太陽能、風(fēng)能等再生能源的儲能裝置），延長其生命周期。容量低于20%的動力鋰電池將直接送往具備相關(guān)資質(zhì)的企業(yè)進(jìn)行拆解回收。

2.1 梯級利用

隨著使用時間的增加，動力電池的內(nèi)部容量將會逐漸減小，電池性能會有所下降，當(dāng)新能源汽車的動力電池內(nèi)部容量下降至無法滿足原級別汽車的要求時，將會面臨報(bào)廢，但報(bào)廢電池通常還能夠作為備用電池為一些低耗能產(chǎn)品供電，或應(yīng)用于清潔可再生能源發(fā)電站以及電信基站等的儲能。鋰離子電池作為儲能媒介，具有容量大、能量密度高、效率高等特點(diǎn)，非常適合用于儲能系統(tǒng)的運(yùn)行[6,7]，但高昂的成本成了鋰電池應(yīng)用于儲能系統(tǒng)的最大障礙[8，9]。Neubauer等[10]通過研究得出結(jié)論，對電動汽車動力電池進(jìn)行梯級利用可顯著降低鋰電池在儲能領(lǐng)域的成本。梯次利用動力電池進(jìn)行儲能，從本質(zhì)上解決了能量在時間和空間上分布不平衡的問題。在電力系統(tǒng)中，運(yùn)用儲能技術(shù)可以有效地實(shí)現(xiàn)用戶需求側(cè)管理，消除晝夜峰谷差、平滑負(fù)荷、降低供電成本，同時可以促進(jìn)再生能源的利用，提高電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性并提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量，保證供電的可靠性[11，12]。研究顯示，磷酸鐵鋰電池在正常放電時電池容量衰減程度較小，當(dāng)容量衰減至80%從汽車上退役后，依舊有多達(dá)400到1 000的循環(huán)次數(shù)，梯次利用價值很高。

化學(xué)電源是否能在儲能中獲得經(jīng)濟(jì)利益的關(guān)鍵因素是成本和循環(huán)壽命[13]。退役動力電池的梯級利用的各個流程涉及各類成本為以下兩方面：（1）廢舊動力電池的回收需要付出購置及運(yùn)輸成本，電池系統(tǒng)人工拆解需要的勞動力成本，將拆解所得單體進(jìn)行篩選與檢測并重組電池過程需要的人工費(fèi)、測試設(shè)備折舊費(fèi)、電費(fèi)等；（2）成組電池的電池管理系統(tǒng)成本、電力電子成本，以及運(yùn)維成本等。李建林等[14]基于以上成本，從電池梯次利用的競爭力角度分析了經(jīng)濟(jì)效益，得出電池容量大于60%時，動力電池的梯級儲能較常規(guī)儲能具有成本競爭優(yōu)勢的結(jié)論。陶志軍[15]根據(jù)剩余循環(huán)壽命對電池梯級利用的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了估算，發(fā)現(xiàn)梯次利用電池的性價比隨著循環(huán)壽命的增加而快速增加，當(dāng)電池循環(huán)次數(shù)大于400次時，將開始產(chǎn)生較大的盈利（見圖3）。假設(shè)磷酸鐵鋰電池的能量密度為110Wh/kg，回收廢舊電池的能量衰減至70%，梯次利用的收益空間有望在2023年超過50億元[16]。

圖3 廢舊磷酸鐵鋰動力電池梯級利用市場規(guī)模及利潤空間預(yù)測

當(dāng)前，廢舊動力電池梯級利用需要克服的難題之一是檢選，廢舊動力電池的一致性較差，這種差異體現(xiàn)在電池容量和外形兩方面。檢選不到位則會導(dǎo)致重組電池的性能難以控制。其次，為了保證使用及運(yùn)輸?shù)冗^程的安全問題以及不同車輛對電池的外型需求，動力電池包通常形態(tài)各異，初步拆解電池包時只能通過人工操作將電池外殼拆卸下來，無法配套流水線進(jìn)行批量處理，效率低下。這些問題無形中增大了梯級利用的難度和成本，但相關(guān)政策的發(fā)布（如《拆解規(guī)范》《規(guī)格尺寸》）將在一定程度上解決這些行業(yè)性的發(fā)展難題，梯級利用的利潤將會隨著產(chǎn)業(yè)的規(guī)范化逐漸升高。

2.2 拆解回收

當(dāng)汽車電池?zé)o法達(dá)到梯次利用的效果之后，將被送到專業(yè)的電池回收公司，將電池中的有色金屬進(jìn)行回收再利用。隨著資源的不斷枯竭，金屬鋰的來源今后將不再是開采，而是回收[17]。三元電池含有的鎳鈷金屬含量遠(yuǎn)高于原礦，以最常見的NCM111為例，鎳、鈷、錳含量分別占12%、3%及5%，而磷酸鐵鋰電池即使不包含鈷、鎳等稀有金屬，其1.1%的鋰含量也顯著高于我國開發(fā)利用的品位僅為0.4%～0.7%的原礦[18]。貴金屬價格的上漲及礦產(chǎn)資源的稀缺使原料回收成為電池市場中重要的部分，回收廢舊電池材料不僅回收效率高，還能夠降低電池生產(chǎn)成本，較直接開采礦石的生產(chǎn)方式更具有低價優(yōu)勢[19]。據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)測算[20]，回收鈷、鎳、錳、鋰、鐵和鋁等金屬所創(chuàng)造的市場規(guī)模在2020年將達(dá)到136億元，2023年將超過300億元。

新能源汽車所使用的動力電池主要為磷酸鐵鋰電池及三元聚合物鋰電池，隨著行業(yè)需求的增大及相關(guān)研究的深入，這兩類廢舊動力電池回收處理的技術(shù)水平正在逐步升高。處理廢舊鋰電池的方法有物理法、化學(xué)法、生物法三大類，其中物理法主要包括了破碎浮選法、機(jī)械研磨法和有機(jī)溶劑溶解法等，化學(xué)法包括火法冶金和濕法冶金，生物法是利用微生物的代謝過程對金屬選擇性的浸出。其中，濕法冶金由于能耗較低、回收率較高、產(chǎn)品純度高等特點(diǎn)受到廣泛的認(rèn)可，國內(nèi)大部分企業(yè)采用的就是濕法回收技術(shù)。

濕法冶金處理廢舊電池的主要步驟包含前處理、預(yù)處理、酸/堿液浸出、浸出液除雜、分離萃取、元素沉淀[21]，濕法回收工藝核心部分為金屬材料的浸取過程，通過使用無機(jī)酸或有機(jī)酸將金屬以離子回收到酸溶液中[22]，圖4和圖5分別為三元鋰電池以及磷酸鐵鋰電池的處理工藝流程。

圖4 濕法冶金回收三元鋰電池工藝流程圖[23]

圖5 濕法冶金回收磷酸鐵鋰電池工藝流程圖[24]

濕法回收工藝簡單、設(shè)備要求不高，適合工業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)，但也存在工藝流程較長、電池成份不能全部回收的問題[18]，同時，處理過程中需要加入鹽酸等腐蝕性溶液提高了成本。盡管如此，由于技術(shù)成熟化以及金屬原料的增值，廢舊動力鋰電池的濕法回收依舊呈現(xiàn)較大盈利潛力。廢舊電池的回收再利用的生產(chǎn)成本通常包括以下幾部分：（1）材料成本，包括原材料及輔助材料；（2）燃料動力成本；（3）環(huán)境治理成本，即對處理回收過程中產(chǎn)生的廢氣、廢渣、廢液的無害化處理費(fèi)用；（4）設(shè)備成本；（5）人工成本。此外，還包括一些其他支出，如高速通行費(fèi)、產(chǎn)品包裝費(fèi)、產(chǎn)品銷售費(fèi)等[25]。衛(wèi)壽平等[25]以NCM111（鎳鈷錳三元電池LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2）濕法回收為例分析了三元電池回收再利用成本，得出每噸三元電池回收成本高達(dá)26 500元，但鑒于鈷、鋰等金屬市場價格的持續(xù)暴漲，濕法回收依舊能夠帶來較多利潤。賈曉峰等[26]將磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池的三種回收方式的成本及收益進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如圖6所示，三元電池的濕法拆解回收能帶來明顯的收益，其中正極材料的回收價值極高，而磷酸鐵鋰電池的拆解回收總體均處于虧損狀態(tài)，回收再利用難以獲得收益，重點(diǎn)對其進(jìn)行合理的梯級利用能夠帶來較大的利潤。

圖6 磷酸鐵鋰電池和三元聚合物鋰電池的回收工藝經(jīng)濟(jì)性分析（元/t）

圖7 廢舊三元動力電池拆解市場規(guī)模及利潤空間預(yù)測

廢舊三元動力鋰電池拆解回收市場規(guī)模及利潤空間預(yù)測如圖7所示[14]。到2023年，僅三元電池的拆解市場規(guī)模就可達(dá)54.1億元。通過拆解回收，鎳、鈷、錳等金屬元素可實(shí)現(xiàn)95%以上的回收率，經(jīng)進(jìn)一步的資源化，可以生產(chǎn)出鎳、鈷、錳及鋰鹽，以及三元正極材料及其前驅(qū)體，將產(chǎn)品直接用于鋰電池電芯制造，有利于閉環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈的構(gòu)建。隨著未來三元正極材料及其前驅(qū)體的發(fā)展趨勢，將產(chǎn)品直接用于鋰電動力鋰電池的大規(guī)模報(bào)廢以及回收渠道正規(guī)化、合理化，動力電池回收處理企業(yè)將能在動力電池回收板塊中獲取日益增長的利潤。

3 總結(jié)與展望

當(dāng)前，廢舊動力電池梯級利用的主要市場為儲能，在現(xiàn)有鋰電池儲能市場受成本影響發(fā)展已近瓶頸的背景下，退役動力電池在未來能有力推進(jìn)儲能利用的可持續(xù)發(fā)展，廢舊電池差異性的降低將會有助于降低梯級利用成本。

廢舊三元動力電池的回收再利用具備極高的經(jīng)濟(jì)可行性，濕法回收技術(shù)是較為適合應(yīng)用于三元電池回收利用的技術(shù)，也是國內(nèi)外技術(shù)領(lǐng)先回收企業(yè)所采用的主要回收方法。目前，我國動力鋰電池尚未達(dá)到大批次報(bào)廢回收的等級，許多回收處理企業(yè)無法收到足夠的廢舊電池，小規(guī)模處置的固定成本較高，常常難以盈利，但隨著近年來電池報(bào)廢量的激增，從長期看，未來必將會產(chǎn)生可觀的規(guī)模效應(yīng)。

電池的回收利用目的在于實(shí)現(xiàn)其全生命周期的管理，達(dá)到廢舊電池?zé)o害化、資源化的最終目的[27]。目前，我國動力電池回收利用規(guī)模較小，部分末端再生利用企業(yè)的動力電池回收利用綜合資源利用率低，僅靠少數(shù)資質(zhì)較高的回收企業(yè)也難以支撐回收市場。此外，為保證動力電池回收企業(yè)能夠獲得利潤、降低安全隱患以及環(huán)境污染、避免不合理的回收，發(fā)展相關(guān)高端技術(shù)也是動力電池回收需要解決的關(guān)鍵問題，2017年頒布的《拆解規(guī)范》完善了車用動力電池法律標(biāo)準(zhǔn)，為我國車用動力電池的回收利用管理環(huán)節(jié)提供了技術(shù)支撐。我國相關(guān)政策的完善及回收網(wǎng)絡(luò)的健全，梯次利用與電池生產(chǎn)、拆解回收和電池材料顯現(xiàn)出了融合發(fā)展的態(tài)勢[28]，促進(jìn)了電池回收的商業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化。健全的回收體系是回收產(chǎn)業(yè)可持續(xù)的關(guān)鍵，只有創(chuàng)造一個共生共贏的產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)圈，我國的車用動力電池回收利用才會得到有效發(fā)展。