黃莉，李芳琴，代濤，汪鵬

1.中國地質大學(北京) 地球科學與資源學院，北京 100083；2.中國地質科學院礦產(chǎn)資源研究所，北京 100037；3.中國科學院城市環(huán)境研究所 中科院城市環(huán)境與健康重點實驗室，福建 廈門 361021

鋰是密度最小的金屬，主要應用于電池、玻璃陶瓷、潤滑脂和冶金等領域[1]。在過去十年，隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，鋰金屬的消費結構發(fā)生了顯著變化，如圖1所示，從2010年到2019年，電池消費占比從34%增加到70%，消費量從2010年的0.3萬t(金屬量，下同)增加到2019年2.4萬t，增長了7倍。未來，根據(jù)《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》目標，電池領域鋰金屬需求量將快速增長[2](圖2)。雖然我國鋰資源儲量位居世界前列，但資源稟賦狀況導致開采成本高，難以滿足國內(nèi)井噴式需求增長。在此背景下，研究從終端報廢產(chǎn)品中回收鋰金屬對保障資源供給安全具有重要意義。

圖1 中國鋰消費結構

圖2 中國鋰需求預測[2]

1 鋰金屬回收技術及工藝流程

回收再利用終端報廢產(chǎn)品中的鋰金屬是增加供給的有效途徑。就目前的回收利用技術而言，只有報廢鋁鋰合金和鋰離子電池中的鋰可以回收[3-4]。鋰合金應用時間相對較長，范圍較廣，國外早在30多年前便對鋰合金回收做了研究[5]，而從報廢鋰離子電池中回收鋰更是研究的焦點(如表1所示)。過去，受經(jīng)濟利益驅動，從報廢鋰離子電池中回收的主要目標是高價值鈷金屬，鋰金屬的回收率則很低，全球回收率不足1%[6]。從環(huán)境角度而言，大量的鋰離子電池處理不當將導致嚴重污染，甚至引發(fā)火災[7]。為了減少鋰離子電池對環(huán)境的污染和資源的浪費，對其進行有效回收勢在必行。

表1 鋰金屬的回收方法及回收率

通常，從鋰離子電池中回收鋰金屬包括電池預處理、材料分選、金屬富集和金屬分離提純四個過程[19]。如圖3所示，首先是對電池進行放電，以防止短路或自燃。然后通過拆卸、破碎、篩分和分離等一系列過程得到塑料、電解質、黏合劑和鋰化合物等材料[20-21]。通過濕法冶金[9-10]、火法冶金[8]和生物冶金[14-15]等實現(xiàn)鋰的富集，最后利用化學沉淀、溶劑萃取和水吸收等方法對金屬分離提純。一般來說，采用上述工藝可獲得兩種鋰資源，一種是鋰金屬，另一種是鋰化合物。鋰離子電池中金屬回收過程是綜合利用的過程，每一方法有各自優(yōu)缺點，常常根據(jù)不同材料將各種方法聯(lián)合使用來提高金屬的回收率及純度(見圖4)。

圖3 從鋰離子電池中回收鋰的工藝流程

圖4 主要回收鋰的方法

本文基于上述工藝流程及回收技術，圍繞當前可回收的合金和電池兩部分，通過對在用鋰金屬存量、未來理論報廢量的核算，評估2000—2035年鋰金屬回收潛力，具體研究框架見圖5。

圖5 研究框架

2 鋰金屬回收潛力研究的基礎

2.1 研究方法

2.1.1 存量流量估算模型

金屬存量流量估算是物質流分析的一種主流方法[22]。物質流分析模型通常分為靜態(tài)模型和動態(tài)模型，主要區(qū)別在于某一時間和長時間尺度內(nèi)金屬物質流量的變化。本文利用動態(tài)物質流分析模型中存量流量驅動模型，根據(jù)不同產(chǎn)品的保有量及其鋰金屬使用強度，確定了2000—2019年主要行業(yè)(電池和合金)中的鋰金屬在用存量，并根據(jù)不同產(chǎn)品保有量未來發(fā)展趨勢，估算了2020—2035年的鋰金屬存量。基于質量守恒原理的存量流量模型[23]，公式如下：

C(t)=S(t)-S(t-1)+D(t)

(1)

(2)

式中，C(t)為第t時刻物質流入的量，D(t)為第t時刻物質流出的量，S(t)為第t時刻物質的現(xiàn)有存量。

2.1.2 報廢量估算模型

為了評估鋰金屬回收潛力(指現(xiàn)有技術條件下與其回收率兼容的量，是理論報廢量，而不是實際可回收量)，需在式(1)和(2)的基礎上，確定各類含鋰金屬產(chǎn)品的平均壽命、平均服務年限和平均使用強度。以動力電池中鋰金屬的回收潛力估算為例，首先，建立壽命分布函數(shù)對動力電池的報廢量進行估算，然后根據(jù)不同類型動力電池中鋰金屬使用強度評估報廢量。本文選擇了Weibull 壽命分布模型[24-25]來確定動力電池在第i年的報廢率，其概率密度函數(shù)為：

(3)

(4)

(5)

式中，k為形狀參數(shù)，λ為比例參數(shù)，k和λ的大小均與動力電池的壽命相關，Tave為動力電池的平均壽命，Tmax為99%的電池報廢所需的時間，即產(chǎn)品的最大壽命。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本文選取鋰金屬主要應用行業(yè)(電池和合金)為研究對象。其中，新能源汽車產(chǎn)銷數(shù)據(jù)來自于2011—2020年《節(jié)能與新能源汽車年鑒》；電動自行車產(chǎn)銷量和電動三輪車產(chǎn)銷量以及消費類產(chǎn)品消費量從萬德數(shù)據(jù)庫(Wind)、國家統(tǒng)計局、中華人民共和國工業(yè)和信息化部獲得；各類產(chǎn)品的貿(mào)易數(shù)據(jù)來自《中國海關統(tǒng)計年鑒》，各類產(chǎn)品保有量根據(jù)上述數(shù)據(jù)計算而得；各類鋰離子電池的容量、裝配現(xiàn)狀、電池壽命以及重量數(shù)據(jù)來源于《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012—2020)》《2020年中國新能源汽車行業(yè)白皮書》和中國行業(yè)信息網(wǎng)；各類電池材料鋰金屬使用強度來自于《中國退役動力電池循環(huán)利用技術與產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告》；合金的產(chǎn)銷量數(shù)據(jù)來自中國有色金屬工業(yè)協(xié)會，合金中鋰金屬使用強度和回收率來自參考文獻。

3 鋰金屬回收潛力研究

3.1 鋰金屬存量

3.1.1 電池中鋰金屬的在用存量

2000—2019年鋰金屬在用存量[23](指在一個時間段內(nèi)鋰金屬在某行業(yè)中存量的變化)從30 t增加到1.8萬t，如圖6所示。20年以來，鋰金屬在用存量聚集領域發(fā)生了顯著變化，由消費類電池(手機、電腦、平板和數(shù)碼相機等)轉向動力電池和儲能電池。具體而言，2000—2009年消費類電池在用鋰存量占比高達90%以上；2010—2019年，動力電池在用鋰存量從8%增長至77%，消費類電池鋰存量占比則下降至11%，儲能電池鋰金屬在用存量保持小幅度增長。

圖6 電池中鋰金屬的在用存量

3.1.2 電池中鋰金屬存量預測

(1)電動汽車電池

電動汽車電池中鋰金屬的在用存量，從2009年的35 t快速增長至2019年的1.5萬t。本文估算結果表明2025、2030和2035年電動汽車電池中鋰金屬的存量分別為12萬t、30萬t和42萬t。如圖7所示，中國純電動乘用車用鋰金屬快速增長，2019年純電動乘用車鋰金屬在用存量為1萬t，占電動汽車鋰金屬總存量的68%。

圖7 電動汽車電池鋰金屬存量預測

(2)電動自行車與電動三輪車電池

如圖8所示，2019年我國電動自行車鋰離子電池中鋰金屬的在用存量達1 100 t。預計未來電動自行車將小幅度增長，并趨于平穩(wěn)，本文估算結果表明，2025、2030和 2035年電動自行車鋰離子電池中鋰金屬在用存量分別為0.12萬t、0.24萬t和0.30萬t。我國電動三輪車2019年鋰離子電池中鋰金屬在用存量為150 t，估算結果表明，2025、2030和2035年電動三輪車鋰離子電池中鋰金屬在用存量分別為150 t、350 t和470 t。

圖8 電動自行車和電動三輪車電池鋰金屬存量預測

(3)消費類電池

2000—2019年鋰離子電池的鋰金屬累計在用存量達30萬t。如圖9所示，2000—2019年消費類電池鋰金屬在用存量整體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，消費類電池中鋰金屬在用存量從0.05萬t上升到2012年的3.3萬t后下降到2019年的1.8萬t。本文預估結果表明，2025、2030和2035年消費類電池中鋰金屬在用存量分別為1.7萬t、1.5萬t和1.2萬t。

圖9 消費類電池鋰金屬存量預測

3.1.3 合金中鋰金屬存量預測

由于合金中鋰的使用強度相對較低，因此合金中鋰金屬的存量較小，2019年鋰金屬在用存量1萬t，占全國鋰金屬在用存量的2%。如圖9所示，合金中鋰金屬的在用存量從2000年的470 t增長至2035年的2.7萬t。

圖10 合金中鋰金屬存量預測

3.2 鋰金屬的理論報廢量

3.2.1 電池中鋰金屬的理論報廢量

(1)電動汽車電池

基于電動汽車動力電池鋰金屬在用存量數(shù)據(jù)，估算到2035年中國電動汽車電池中鋰金屬理論報廢量4.1萬t。如圖11所示，鋰離子電池鋰金屬報廢量中主要以三元鋰電池和碳酸鐵鋰電池，其中，在電動汽車三元鋰電池報廢鋰金屬從2020年0.17萬t增長至2035年2.9萬t，占比從52%上升到70%，是未來鋰離子電池報廢行業(yè)中的主要研究對象。在不同車型中，純電動乘用車的鋰金屬報廢量快速遞增，從2020年0.17萬t增長到2035年的3.0萬t，2035年占總電動汽車電池報廢量的71%，是全國電動車電池鋰金屬報廢的主要產(chǎn)品。

圖11 電動汽車電池中鋰金屬的理論報廢量

(2)電動自行車與電動三輪車的電池

如圖12(a)所示，由于我國交通出行方式逐漸改變，預計2025—2030年將迎來電動自行車行業(yè)的報廢高潮，2025年電動自行車電池中將報廢100 t鋰金屬，2035年報廢量減少至62 t。電動三輪車使用人群較為固定，電動三輪車電池報廢量不會出現(xiàn)明顯變化，估算結果表明，到2035年電動三輪車電池中鋰金屬理論報廢量為10 t，整體呈現(xiàn)較穩(wěn)定的態(tài)勢。

圖12 電動汽車和三輪車鋰金屬理論報廢量(a)和消費類電池中鋰金屬理論報廢量(b)

(3)消費類電池

2000—2010年消費類產(chǎn)品是鋰金屬報廢的主要行業(yè)，消費類電池中鋰金屬累計報廢290 t。如圖11(b)顯示，在2015年前后消費類電池報廢量達到最高點，理論報廢鋰金屬235 t，預計到2035年消費類電池中鋰金屬理論報廢量為100 t。

3.3 鋰金屬回收潛力

綜上所述，回收技術改進前后報廢產(chǎn)品中鋰金屬的回收潛力如圖13所示，基于現(xiàn)有回收技術與工藝流程、回收率較低情況下，2035年鋰金屬回收量預計達到4.0萬t；回收率中等情況下，2035年鋰金屬回收量預計達到4.1萬t，是2020年鋰金屬回收量的10倍；回收技術改進、回收率較高情況下，2035年鋰金屬回收量預計達到4.3萬t，報廢產(chǎn)品中鋰金屬資源的回收潛力巨大。對于合金而言，由于技術難度較大，回收成本較高，鋰金屬的回收潛力較小。鋰金屬的回收主要來源于鋰離子電池，隨著電動汽車行業(yè)的快速發(fā)展，帶動鋰金屬用量的增加，2035年電動汽車電池理論回收鋰金屬量占總鋰金屬回收量的98%，是鋰金屬回收的主要行業(yè)部門；消費類電池2035年用鋰需求量占比較小，預估回收10 t鋰金屬，而隨著電動自行車和電動三輪車鋰電池技術的發(fā)展，鋰金屬的需求量增大，2035年回收鋰金屬量達140 t。2014年之前，由于鋰金屬回收困難，報廢電池中的鋰金屬大量損失。

圖13 從報廢產(chǎn)品中鋰金屬理論回收潛力

4 結論與建議

本文聚焦于在現(xiàn)有回收技術與工藝條件下，研究終端報廢產(chǎn)品中鋰金屬的回收潛力。對于鋰離子電池而言，產(chǎn)品設計復雜，不同的電池配置不同。要從含塑料、電解液、黏合劑、鋁、鈷、銅、鐵、鋰、錳和鎳等十多種鋰離子電池材料[26]中單一回收鋰金屬不經(jīng)濟，亦不可行。另外，報廢電池中含有毒物質，如果處理不當，生態(tài)環(huán)境也將遭到破壞。對鋰離子電池回收技術的發(fā)展和回收市場也提出了更高要求。對于鋰合金而言，缺乏有效的分離技術給回收帶來了極大困難[27]。不同的合金，使用材料不同，回收方法難以規(guī)范。隨著技術的不斷突破，產(chǎn)品類型仍在不斷更新，給回收鋰金屬帶來重重挑戰(zhàn)。此外，消費者/生產(chǎn)者回收意識薄弱，缺乏有效的回收利用基礎設施等都是制約鋰金屬回收再利用的關鍵因素[28]。

理論上，鋰金屬回收潛力可觀，是增加資源供給的有效途徑，并且，對報廢產(chǎn)品進行關鍵金屬回收再利用是提高資源利用效率、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟、建設生態(tài)文明的必然選擇。然而，目前的研究幾乎停留在實驗室階段，且需要回收利用的報廢產(chǎn)品數(shù)量較少，隨著報廢數(shù)量的急劇增加，回收業(yè)將出現(xiàn)成本過高和環(huán)境污染等問題，如果要實現(xiàn)產(chǎn)品的完全可循環(huán)利用，就迫切需要多種方法來解決[29]。

未來，實現(xiàn)高效回收再利用鋰金屬需要從多方面著手。首先，建立包括收集、分類、物流、存儲和加工冶煉等回收鏈各環(huán)節(jié)的基礎設施是回收得以進行的基礎；其次，發(fā)展規(guī)模經(jīng)濟，采取適當?shù)募畲胧┐_保回收金屬有利可圖是核心；再次，開發(fā)多種金屬同時回收利用的技術是保障。除此外，制定合理的報廢產(chǎn)品管理條例尤為重要，適當?shù)墓芾項l例是提高回收效率的重要工具，在人類健康和環(huán)境保護方面也發(fā)揮著不可替代的作用。