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        三種主要動力電池的循環(huán)利用及環(huán)境保護(hù)

        2019-11-30 12:35:50任璐
        科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào) 2019年19期

        任璐

        摘? ?要:隨著中國經(jīng)濟(jì)近幾十年來的高速發(fā)展,動力電池最近十幾年來在我國迎來了井噴式的發(fā)展。其中,鉛酸電池、磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池因其各自的突出特點(diǎn)在我國動力電池市場上占有主導(dǎo)地位。動力電池均有使用年限,電池報(bào)廢后的循環(huán)利用和環(huán)保問題是一個(gè)繞不過去的話題,本文在對這三類電池進(jìn)行分析后,希望國家能對各類電池分類管理,因勢利導(dǎo),發(fā)揮綜合效益,促進(jìn)節(jié)能環(huán)保,使我國電池管理進(jìn)入良性循環(huán)。

        關(guān)鍵詞:鉛酸電池? 磷酸鐵鋰電池? 三元鋰電池? 循環(huán)利用? 節(jié)能環(huán)保

        中圖分類號:TM912.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號:1674-098X(2019)07(a)-0091-02

        隨著中國經(jīng)濟(jì)近幾十年來的高速發(fā)展,動力電池最近十幾年來在我國迎來了井噴式的發(fā)展。最先發(fā)展起來的便是始于19世紀(jì)晚期發(fā)明的鉛酸電池,鉛酸電池結(jié)構(gòu)簡單,性能穩(wěn)定,安全性高,且生產(chǎn)成本低,技術(shù)門檻低,極大了滿足了中國老百姓對物美價(jià)廉動力電池的需求。在我國,鉛酸電池的產(chǎn)量逐年穩(wěn)步提升,到2018年,我國金屬鉛的產(chǎn)量為462萬t,早已成為全球最大的鉛酸蓄電池生產(chǎn)國和出口國。鉛酸蓄電池一般2年左右報(bào)廢。如何將報(bào)廢后的鉛酸電池循環(huán)利用就成了一個(gè)關(guān)系經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境治理的重大問題。

        磷酸鐵鋰電池作為國家十五計(jì)劃的重點(diǎn)科研項(xiàng)目,技術(shù)在5年前成熟,加之前幾年國家對新能源汽車的大幅補(bǔ)貼,讓磷酸鐵鋰電池最近幾年贏來了爆發(fā)式的增長。磷酸鐵鋰電池循環(huán)使用次數(shù)約為2000次左右,按照電動汽車正常的使用強(qiáng)度估算,磷酸鐵鋰電池在汽車上大約能使用5年左右的時(shí)間。三元鋰電池由于能量密度最高,已經(jīng)開始在小型乘用電動車領(lǐng)域大規(guī)模使用,大有替代磷酸鐵鋰電池的趨勢。三元鋰電池的循環(huán)使用壽命與磷酸鐵鋰循環(huán)使用壽命大體相當(dāng),5年左右報(bào)廢。隨著以后電動轎車大規(guī)模進(jìn)入尋常百姓家,鋰電池的循環(huán)利用問題也將成為一個(gè)關(guān)系經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境治理的重大問題。

        1? 鉛酸電池

        1.1 鉛酸電池特性

        鉛酸電池結(jié)構(gòu)簡單,主要由板柵,鉛膏,電解液和外殼組成。其成分組成見表1。

        鉛酸電池的優(yōu)點(diǎn)是可靠性好,成本低、瞬間輸出功率大、使用安全、不容易損壞,在儲能電源、起動電源、車載電源等領(lǐng)域仍然應(yīng)用廣泛;鉛酸電池的缺點(diǎn)是能量密度低,為40Wh/kg,續(xù)航里程短,不適用于高速電動車。鉛酸電池的另一個(gè)缺點(diǎn)是循環(huán)使用壽命短,約為500次,正常使用條件下,兩年時(shí)間不到便報(bào)廢。

        鉛酸蓄電池存在的特點(diǎn)決定了它在高速電動車領(lǐng)域沒有使用空間,但在電動自行車、老年代步車、啟動電源、儲能電源等領(lǐng)域仍占主導(dǎo)地位。

        1.2 鉛酸電池回收現(xiàn)狀

        鉛酸電池結(jié)構(gòu)簡單,回收簡單,且技術(shù)含量不高。手工作坊只需要一把錘子,一口鍋就可以回收鉛酸電池。具體過程:先用錘子將鉛酸電池砸破,將里面的酸液倒掉,然后將鉛酸電池中的鉛板取出。由于鉛的熔點(diǎn)低,放在鍋里加熱便會熔解,隨后將融化后的鉛水做成鉛碇。至此,鉛酸電池的回收就完成了。如今這種手工作坊式的回收方法已經(jīng)形成了一條成熟完整的產(chǎn)業(yè)鏈,效率高,收益高。酸液的隨地傾倒,以及鉛酸電池處理過程中產(chǎn)生的大量廢棄物,造成了嚴(yán)重的鉛、酸污染。

        正規(guī)的鉛酸電池回收企業(yè)處理方式與手工作坊方式類似,區(qū)別在于,對于鉛酸電池中的酸液不會隨地傾倒,而是專門建有酸液處理池,將酸液處理成中性水之后再排出。固體廢棄物也是經(jīng)過處理后再回收利用,最大限度的減少了鉛、酸污染。正規(guī)鉛酸企業(yè)雖然環(huán)境污染小,電池回收利用率高,但是生產(chǎn)成本也高出一大截,無法與手工作坊企業(yè)競爭。在回收市場上,正規(guī)鉛酸回收企業(yè)由于生產(chǎn)成本高,只能壓低廢舊鉛酸電池的回收價(jià)格;與此同時(shí),手工作坊式回收企業(yè)由于生產(chǎn)成本低,便可以提高廢舊鉛酸電池的回收價(jià)格。消費(fèi)者自然會選擇愿意出高價(jià)回收手工作坊企業(yè)。在鉛酸電池領(lǐng)域就形成了“劣幣驅(qū)逐良幣”的現(xiàn)象。

        這種情況如何破解?一是推行生產(chǎn)者責(zé)任延伸制度,其核心是通過引導(dǎo)產(chǎn)品生產(chǎn)者承擔(dān)產(chǎn)品廢棄后的回收和資源化利用責(zé)任,激勵(lì)生產(chǎn)者推行產(chǎn)品源頭控制、綠色生產(chǎn),從而在產(chǎn)品全生命周期中最大限度提升資源利用效率;二是加大政府打擊力度,各部門齊抓共管形成合力打擊黑作坊;三是政府對正規(guī)回收企業(yè)補(bǔ)貼,提高企業(yè)回收廢舊電池的收購價(jià)格,返利消費(fèi)者。

        2? 磷酸鐵鋰電池

        2.1 磷酸鐵鋰電池特性

        磷酸鐵鋰電池正極材料由橄欖石結(jié)構(gòu)的LiFePO4組成,負(fù)極由石墨組成,中間是聚烯烴 PP/PE/PP 隔膜,用于隔離正負(fù)極、阻止電子而允許鋰離子通過。與三元鋰等其他的動力電池材料比較,磷酸鐵鋰電池有幾大特點(diǎn):(1)LiFePO4的原物料主要為碳酸鋰和鐵,其資源分布廣泛,價(jià)格低廉且無環(huán)境污染;(2)磷酸鐵鋰電池安全性能良好,在高溫、高壓、潮濕、擠壓及穿刺等惡劣條件下均保持了較高的安全性。(3)技術(shù)成熟,我國在十五期間將其列為重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目,在此期間,磷酸鐵鋰電池的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)均已取得突破。目前,磷酸鐵鋰電池技術(shù)早已成熟,為我國多家大企業(yè)所掌握。

        正是由于磷酸鐵鋰電池的以上優(yōu)點(diǎn),使其前幾年在我國發(fā)展迅猛。目前我國在用的新能源汽車?yán)?,以磷酸鐵鋰為動力電池的新能源汽車占比一直在50%以上,其在新能源商務(wù)車中的占比更是超過80%以上。但是,隨著新能源汽車最近幾年在我國的高速發(fā)展,磷酸鐵鋰電池的弊端也在顯現(xiàn),能量密度不夠!目前,磷酸鐵鋰電池的能量密度發(fā)展到140Wh/kg已到極限,無法突破。目前,我國主要的電池廠商均在往三元鋰電池方向轉(zhuǎn)型。

        2.2 磷酸鐵鋰電池回收現(xiàn)狀

        磷酸鐵鋰電池的循環(huán)使用壽命為2000次左右,在正常使用條件下,可使用5年左右。此時(shí)磷酸鐵鋰電池容量已低于80%,不能滿足汽車正常行駛時(shí)對電池容量的要求,而電池容量又高于60%,能夠應(yīng)用于電池容量要求不高的領(lǐng)域[1],從而形成磷酸鐵鋰電池的梯次利用。

        我國前幾年加大對新能源汽車的補(bǔ)貼,使動力電池領(lǐng)域迎來了大發(fā)展,新能源汽車的保有量不斷增加。然而受電池使用壽命的限制,在2012—2014年之間生產(chǎn)的動力電池將會在2018年大范圍失效。磷酸鐵鋰電池容量衰減到80%后,便不適用于在新能源汽車上使用,但仍可在對能量密度要求不高的場景下使用,有較高梯次利用價(jià)值。其中,低速電動車和鐵塔基站等行業(yè)有較大的需求。當(dāng)磷酸鐵鋰電池容量進(jìn)一步衰減到50%后,其使用價(jià)值趨近于零,可對其進(jìn)行拆卸回收。但是由于磷酸鐵鋰電池中不含貴金屬,其回收利用價(jià)值不高,除去人工、設(shè)備、能源等成本,拆解回收磷酸鐵鋰電池將會導(dǎo)致少量虧損。

        由于磷酸鐵鋰電池組成較鉛酸電池復(fù)雜,其拆解回收工藝更為復(fù)雜。普通手工作坊不具備拆解回收能力,磷酸鐵鋰電池的回收是一項(xiàng)賠本的買賣。該回收領(lǐng)域只有幾家大企業(yè),且積極性不高,沒有小企業(yè)愿意涉足。好的方面是,磷酸鐵鋰電池因?yàn)楸旧頉]有重金屬,對環(huán)境幾乎無污染,所以不回收,也不會污染環(huán)境。

        3 三元鋰電池

        3.1 三元鋰電池特性

        最初的三元鋰電池正極材料由層狀結(jié)構(gòu)的Li-Ni-Co-Mn-O材料組成,隨著電池技術(shù)的不斷發(fā)展,有些廠商在三元材料里用Al來替代Mn。與磷酸鐵鋰電池相比,三元鋰電池不僅價(jià)格昂貴,且性能不穩(wěn)定。但是這些缺點(diǎn)均不能掩蓋三元鋰電池能量密度高的優(yōu)點(diǎn)。理論上三元鋰電池的能量密度可達(dá)到300Wh/kg,目前,已經(jīng)面世的三元鋰電池的能量密度可達(dá)到220 Wh/kg,為磷酸鐵鋰電池的兩倍。

        由于磷酸鐵鋰電池的能力密度已經(jīng)到達(dá)極限,而三元鋰電池的能量密度很高,近年來,國內(nèi)各大電池廠均集中力量突破三元鋰電池存在的各種技術(shù)難關(guān)。磷酸鐵鋰時(shí)代的里程焦慮問題,在三元鋰時(shí)代基本上得到了解決?,F(xiàn)在,新售的新能源轎車多數(shù)采用能量密度更高的三元鋰電池。寧德時(shí)代、比亞迪等幾家大廠生產(chǎn)的三元鋰電池動力模塊均能滿足各項(xiàng)性能指標(biāo),安全高效地在新能源汽車上使用。

        3.2 三元鋰電池回收現(xiàn)狀

        三元鋰電池的理論循環(huán)使用壽命與磷酸鐵鋰電池類似,為2000次左右。不同于磷酸鐵鋰電池,三元鋰電池在2000次循環(huán)壽命完成后,電池容量迅速衰減,沒有梯次利用價(jià)值。所以,三元鋰電池在正常使用5年后就基本報(bào)廢。三元鋰電池中含有大量稀有元素。近年來,鈷、鎳、錳、鋰等金屬材料的價(jià)格逐年水漲船高。其中鈷的價(jià)格在2019年4月為27萬元/t。所以,三元鋰電池報(bào)廢回收具有較高經(jīng)濟(jì)收益。

        動力電池的回收過程一般分為放電、拆解、粉碎、分選等預(yù)處理流程,然后分離出電池內(nèi)的金屬外殼、電極材料等,再將電極材料經(jīng)過特定的回收工藝處理,最終篩選得到有價(jià)值的金屬材料[2]。目前,主流電極材料的回收工藝有物理回收工藝、濕法回收工藝和火法回收工藝。三種工藝有一個(gè)共同點(diǎn):需要昂貴的設(shè)備、復(fù)雜的技術(shù)和巨額的資金投入才能完成。

        近2年大量使用的三元鋰電池還沒有到集中報(bào)廢的時(shí)間,三元鋰電池的回收量不大,中小電池回收企業(yè)對高額的投入望而卻步,只有少數(shù)幾家大廠在該領(lǐng)域進(jìn)行回收。大企業(yè)響應(yīng)國家號召,重視節(jié)能環(huán)保,目前,三元鋰電池的回收利用、節(jié)能環(huán)保還處在良性循環(huán)上。再過幾年,隨著三元鋰電池大規(guī)模的報(bào)廢,提前布局的企業(yè)將取得先發(fā)優(yōu)勢,三元鋰電池回收的江湖還處于早期,未來如何發(fā)展,我們拭目以待。

        以上三種電池為我國目前廣泛使用的三種動力電池。鉛酸電池技術(shù)落后,污染大,但是因?yàn)榧夹g(shù)門檻低、價(jià)格便宜、性能穩(wěn)定,在我國動力電池市場上始終占有一席之地。磷酸鐵鋰電池技術(shù)成熟,綜合性能好,環(huán)境友好,雖然能量密度不如三元鋰電池,但是比鉛酸電池要好不少,期待未來幾年能逐步取代鉛酸電池。三元鋰電池能量密度高,各項(xiàng)綜合性能達(dá)標(biāo),是以后動力電池的發(fā)展趨勢,隨著以后三元鋰電池的大發(fā)展,我們期待對三元鋰電池的回收更節(jié)能更環(huán)保。也期待國家能對各類電池分類管理,因勢利導(dǎo),發(fā)揮綜合效益,促進(jìn)節(jié)能環(huán)保,使我國電池管理進(jìn)入良性循環(huán)。

        參考文獻(xiàn)

        [1] 朱廣燕,劉三兵,海濱,等. 動力電池回收及梯次利用研究現(xiàn)狀[J] . 電源技術(shù),2015,39(7):1564-1566 .

        [2] 盧強(qiáng). 電動汽車動力電池全生命周期分析與評價(jià)[D] . 吉林大學(xué),2014 .

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