動力電池梯次利用場景與回收技術經濟性研究

賈曉峰馮乾隆陶志軍王白俠

（1.中國汽車技術研究中心有限公司；2.長安大學汽車學院）

近年來，我國新能源汽車行業發展迅速，電動汽車產銷量正快速增長，據統計，2016年我國新能源汽車產量達51.7萬輛，銷售量達50.7萬輛，預計2017年全年新能源汽車銷售量將達70萬輛[1]。伴隨著電動汽車的快速發展，車用動力電池也迎來了前所未有的高速發展期，然而受電池使用壽命的限制，未來幾年將有大量動力電池報廢。目前市場上銷售的電池平均使用壽命約為5年，因此在2012—2014年生產的動力電池將會在2018年大范圍失效。據預測，到2018年我國動力電池報廢量或將達到17.5萬t，出現一個小高峰，到2020年，報廢量將達到20萬t，累計報廢量50萬t，2024年前后，動力電池報廢量將達到34萬t，累計報廢量將達到116萬t[2]。因此，動力電池的梯次利用和拆解回收市場將迎來爆發式增長[3]。此外，電池回收成本是制約電池回收行業發展的關鍵因素，對動力電池梯次利用場景及各拆解回收工藝價值體系進行分析，成為產業市場化運作的關鍵[4]。

1　退役動力電池梯次利用場景分析

2016年我國梯次利用電池量不到0.15萬t，即大部分廢舊電池的電能未能得到充分利用。隨著電網儲能、低速電動車、移動電源等領域的快速發展，我國市場對退役電池的需求量巨大，據估算，若將2020年退役的動力電池充分利用，回收市場的收入將達到80～100億元，因此我國動力電池梯次利用市場具有較好的前景[5]。

1.1　退役動力電池在通信基站領域的梯次利用經濟性分析

隨著我國通訊技術的快速發展，通訊基站對電池的需求量也逐年上升，而通訊基站對電池壽命和安全性又有較高要求。考慮到鉛酸電池成本低，目前我國通訊基站多采用鉛酸電池作為備用電源，而鋰離子電池在循環壽命、能量密度、高溫性能等方面具有明顯優勢，因此將退役磷酸鐵鋰電池應用在通信基站領域，將具有很大優勢。

根據調研數據，目前市場上回收的磷酸鐵鋰電池價格隨電池的性能差別很大，在4 000～10 000元/t不等。以剩余能量密度在60～90 W·h/kg且具有較高使用價值的磷酸鐵鋰電池為例，此類電池若要得到梯次利用，必須對回收的電池進行拆包、檢測及重組處理，最終得到一致性較好的梯次電池，將電池回收費用、預處理費用、檢測重組費用及人工費用加起來為10 000～16 000元/t，此類梯次電池再循環壽命約為400次。若將循環壽命為500次，能量密度為40W·h/kg，市場價格為10 000元/t的鉛酸電池的性價比視為1，則具有400次循環壽命，能量密度為60 W·h/kg的梯次重組磷酸鐵鋰電池的性價比約為1.2，以此可得到如表1所示鉛酸電池和梯次利用磷酸鐵鋰電池對比數據。由對比數據可知，梯次利用電池隨著循環壽命的增加，性價比將得到快速增長，當梯次利用電池循環壽命大于400次時，開始產生較大盈利。

表1　鉛酸電池與梯次利用磷酸鐵鋰電池在儲能方面對比數據

1.2　退役動力電池在低速電動車領域的梯次利用經濟性分析

近年來，我國低速車領域也發展迅速，2016年低速車新增150萬輛，保有量達到300萬輛；三輪車新增900萬輛，保有量達到6 000萬輛。面對前景廣闊的低速車市場，若將電動汽車上退役下來的動力電池用于低速車領域，將獲得較快發展。

從2016年開始將退役電池應用于低速車領域，目前主要在快遞車上得到較大發展。截至2017年9月，某國內企業共在余杭等地的210個快遞點投放了1 300臺低速快遞車。據統計，將退役電池應用于低速車成本約650元/kW·h，收益在350元/kW·h左右，收益遠遠大于鉛酸電池在低速車上的應用。圖1示出2016年和2017年在低速車領域梯次電池實際使用情況及2018年和2019年盈利情況預測。

圖1　梯次利用電池在低速電動車領域的盈利

由上述數據分析，若將退役電池合理地梯次應用于低速電動車領域，也將產生巨大利潤，有很好的經濟性。

2　廢舊動力電池的拆解回收技術分析

動力電池的回收過程一般分為放電、拆解、粉碎、分選等預處理流程，然后分離出電池內的金屬外殼、電極材料等，再將電極材料經過特定的回收工藝處理，最終篩選得到有價值的金屬材料[6]。電極材料的回收工藝一般包括化學回收、物理回收和生物回收三大類，根據處理方法不同，化學回收工藝又分為濕法回收技術和火法回收技術，因生物回收技術需要在特定的環境下才能實現，目前仍處于實驗室研究階段，因此，文章主要對物理回收工藝、濕法回收工藝及火法回收工藝的工藝流程及經濟性進行分析。

2.1　物理回收工藝

2.1.1物理回收工藝流程

物理方法回收技術是指將廢舊動力電池內部成分，如電極活性物質、集流體和電池外殼等組分經過破碎、過篩、磁選分離、精細粉碎和分類等一系列手段，得到有價值產物，然后再進行下一步回收的過程。其物理回收工藝，如圖2所示。

圖2　物理方法回收工藝

2.1.2物理回收工藝經濟性分析

通過對國內某動力電池物理回收企業調研，發現動力電池回收過程中，成本主要集中在原材料回收、電池拆解預處理、廢水廢棄物處理、人工費用等階段，表2示出每噸廢舊電池處理過程中的主要成本去向。其中廢舊三元電池平均回收費用為8 900元/t，經過梯次利用之后且質量較差的磷酸鐵鋰電池平均回收費用為4 000 元/t。

表2　每噸廢舊電池回收處理成本　元

通過調研數據，可以看出回收及拆解每噸三元電池的平均成本為13 264元，回收及拆解每噸磷酸鐵鋰電池的平均成本為8 364元。

動力電池內富含的大量有價金屬是電池回收主要的收益來源，特別是近年來鎳、鈷、錳、鋰等金屬材料價格的上漲對動力電池拆解回收領域起到了巨大的促進作用。表3示出每噸三元材料廢舊動力電池采用物理方法拆解的回收效率及得到各材料主要收益情況。

表3　三元材料電池拆解回收效率及收益

因此，每噸三元材料電池經拆解后回收有價值金屬和材料的平均收益為16 728元。此外，經過調研，對磷酸鐵鋰電池拆解收益情況也進行了分析，廢舊磷酸鐵鋰電池各材料拆解回收效率及收益，如表4所示。

表4　磷酸鐵鋰電池拆解回收效率及收益

因此，拆解每噸磷酸鐵鋰電池回收有價金屬和材料的收益約為7 703元。

從前面分析數據可以看出，采用物理法回收每噸三元材料電池的拆解成本為13 264元，通過銷售拆解后得到的有價值材料獲得的收益為16 728元，因此，拆解回收每噸三元電池可盈利3 464元；而每噸磷酸鐵鋰電池拆解成本為8 364元，收益為7 703元，因此拆解回收每噸磷酸鐵鋰電池將虧損661元。

2.2　濕法回收工藝

2.2.1濕法回收工藝流程

我國大部分企業采用的拆解回收技術為濕法回收技術[7]，采用這種技術需要將廢舊電池拆解預處理后溶于酸堿溶液中，萃取出部分有價值金屬元素，再經過離子交換法和電沉積等手段，提取出剩余有價值金屬。其工藝流程，如圖3所示。

圖3　濕法回收工藝流程

這種回收工藝由于工藝流程較長，且處理過程中需要加入鹽酸等腐蝕性溶液，污染治理成本較高。

2.2.2濕法回收工藝經濟性分析

通過調研，發現濕法回收工藝的成本主要來源于原材料回收成本、廢水廢棄物處理等方面，表5示出每噸廢舊電池處理過程中的主要成本去向。

表5　每噸廢舊電池濕法回收工藝處理成本　元

因此，濕法回收工藝每處理1 t三元電池的平均成本為14 815元，每處理1 t磷酸鐵鋰電池的平均成本為9 915元。

此外，采用濕法回收工藝對電池有價值材料回收的效率較高，因此收益情況也更明顯。表6和表7示出采用濕法回收工藝每處理1 t三元電池和磷酸鐵鋰電池得到的各材料主要收益情況。

表6　三元材料電池濕法回收工藝回收效率及收益

表7　磷酸鐵鋰電池濕法回收工藝回收效率及收益

通過以上數據，可以得到采用濕法回收工藝回收每噸三元電池的平均收益為18 073元，回收每噸磷酸鐵鋰電池的平均收益為8 220元。因此，采用濕法回收工藝每回收1 t三元電池將盈利3 258元，每回收1 t磷酸鐵鋰電池將虧損1 695元。

2.3　火法回收工藝

2.3.1火法回收工藝流程

火法回收技術首先需要對電池進行自動放電處理，然后按電池種類進行分類，通過振動篩選和磁選分離金屬外殼和電極材料部分[8]，將電極材料部分放入干電弧爐內高溫處理，電極碎片中的炭和有機物將被高溫燃燒掉，燃燒時會產生還原氣體，對電極內金屬元素具有保護作用，最終經篩選得到含有金屬和金屬氧化物的細粉狀材料，其工藝流程，如圖4所示。

圖4　火法回收工藝

2.3.2火法回收工藝經濟性分析

火法回收工藝因需要將預處理之后的電極材料在電弧爐內進行高溫處理，且處理過程中會產生大量的廢氣及廢渣[9]，因此，火法回收工藝的成本主要來源于原材料回收、燃料動力及廢氣廢渣處理等方面。

表8示出每噸廢舊電池處理過程中的主要成本去向。

表8　每噸廢舊電池火法回收工藝處理成本　元

通過調研數據，可以看出火法回收工藝每處理1 t三元電池的平均成本為14 390元，每處理1 t磷酸鐵鋰電池的平均成本為9 490元。

此外，采用火法回收工藝每處理1 t三元電池和磷酸鐵鋰電池得到的各材料主要收益情況,如表9和表10所示。

表9　三元材料電池火法回收工藝回收效率及收益

表10　磷酸鐵鋰電池火法回收工藝回收效率及收益

通過以上數據，可以得到采用火法回收工藝回收每噸三元電池的平均收益為1 705元，回收每噸磷酸鐵鋰電池的平均收益為7 994元。因此，采用火法回收工藝每回收1 t三元電池將盈利3 015元，每回收1 t磷酸鐵鋰電池將虧損1 496元。

3　結論

我國動力電池回收市場還處于發展階段，對廢舊動力電池的回收程度及回收工藝尚未成熟。在退役動力電池梯次利用領域，退役磷酸鐵鋰電池作為梯次利用電池的主要來源，當電池循環壽命高于400次時，開始產生盈利，隨著未來電池技術的成熟，動力電池的退役循環壽命必將呈現增長態勢，因此，磷酸鐵鋰電池的梯次利用將有更廣闊的盈利前景。

在報廢動力電池拆解回收方面，目前三元電池的物理回收工藝具有較高的收益，而磷酸鐵鋰電池的拆解回收仍處于虧損狀態。據預測，2020年市場上累計報廢動力電池量將達50萬t，按三元電池占35%，磷酸鐵鋰電池占65%來算，在回收效率及成本基本不變的情況下，通過拆解回收這2類動力電池，也將產生4億元的純利潤，隨著電池正極材料價格的上漲，由于濕法回收工藝具有較大的材料回收效率，因此濕法回收工藝在三元電池回收方面呈現出較大盈利潛力，而對于磷酸鐵鋰電池的回收，選擇物理回收工藝更為合適。

將磷酸鐵鋰電池退役后梯次利用和拆解回收結合起來看，不難發現，磷酸鐵鋰電池退役后的再循環利用也處于盈利狀態。隨著我國新能源汽車行業的快速發展，未來將有大量動力電池退役和報廢，若將這些電池充分循環利用，動力電池回收市場將具有更廣闊的經濟前景。