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 .