廢棄動力鋰電池回收再利用技術及經濟效益分析

王天雅 宋端梅 賀文智 李光明

1.同濟大學環境科學與工程學院

2.上海污染控制與生態安全研究院

0 引言

圖1 2016年～2025年磷酸鐵鋰和三元鋰電池報廢量預測[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用。近年來，新能源汽車呈現爆發式增長。新能源汽車動力鋰電池的循環次數在500次～2 000次之間，在達到3年～5年的使用期限后將會報廢，2018年就已有大量待處理的報廢電池，預計到2025年，報廢動力電池將達到136萬t，其中磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池報廢量預測如圖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，引起了相關產業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濟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，不僅具有重要的經濟價值，還可以緩解當前礦產資源緊缺、保護我國寶貴的礦產資源，且對降低電池的生產成本、推動電動汽車產業的發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境問題，還能帶來一定的經濟效益。

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入環境后會帶來嚴重的污染，如果將廢舊動力鋰電池進行焚燒處理，會產生重金屬含量很高的煙氣，且電解液和隔膜還會產生大量的有毒氣體。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，對環境和人類健康也會造成嚴重的威脅[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境危害性和高資源回收價值引起了政府及相關企業的高度重視，并催生了一系列動力鋰電池回收政策。2012年，國務院印發《節能與新能源汽車發展產業規劃》要求，提高新能源汽車產量以及加強動力電池梯級利用和回收管理。2014年，國務院辦公廳頒布《關于加快新能源汽車推廣應用的指導意見》提出要制定電池回收政策、健全電池回收體系。2016年，國務院辦公廳印發《生產者責任延伸制度推行方案》，從頂層設計角度對再生資源進行規范，在電器電子、汽車、鉛酸蓄電池和包裝領域實施生產者責任延伸制度。2016年，國家發改委、工信部、環保部等部門聯合發布《電動汽車動力蓄電池回收利用技術政策》，對電動汽車動力電池設計生產、回收、梯次利用、再生利用等方面均做出了詳細的規定。2017年，國家標準化管理委員會等部門先后頒布《電動汽車用動力電池產品規格尺寸》《汽車動力電池編碼規則》《車用動力電池回收利用拆解規范》和《車用動力電池回收利用余能檢測》，進一步明確了相關標準。2018年，工信部、科技部、環保部、交通運輸部、商務部、質檢總局、能源局等部門聯合發布《新能源汽車動力蓄電池回收利用管理暫行辦法》規定，車企承擔動力電池回收的主體責任，以產品編碼標準和溯源信息系統為基礎，實現電池來源可查、去向可追、節點可控、責任可究，構建全生命周期管理機制。表1詳細列出了近年來與廢舊動力電池相關的政策文件，這些政策的出臺使我國動力電池回收的標準體系得以建立，促進了行業集中化、規范化的發展。

2 動力電池回收處理技術及經濟性分析

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化的回收模式以及規范化的處理技術?！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過余能檢測后，根據電池的余能狀態可進行不同能量區段的應用（見圖2）。

表1 涉及廢動力鋰電池的相關政策性文件

圖2 動力電池能量應用區段[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，通過原位修復和增容技術等處理，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，可在靜態電源中梯級利用（如小型蓄能電站，或太陽能、風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資質的企業進行拆解回收。

2.1 梯級利用

隨著使用時間的增加，動力電池的內部容量將會逐漸減小，電池性能會有所下降，當新能源汽車的動力電池內部容量下降至無法滿足原級別汽車的要求時，將會面臨報廢，但報廢電池通常還能夠作為備用電池為一些低耗能產品供電，或應用于清潔可再生能源發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，非常適合用于儲能系統的運行[6,7]，但高昂的成本成了鋰電池應用于儲能系統的最大障礙[8，9]。Neubauer等[10]通過研究得出結論，對電動汽車動力電池進行梯級利用可顯著降低鋰電池在儲能領域的成本。梯次利用動力電池進行儲能，從本質上解決了能量在時間和空間上分布不平衡的問題。在電力系統中，運用儲能技術可以有效地實現用戶需求側管理，消除晝夜峰谷差、平滑負荷、降低供電成本，同時可以促進再生能源的利用，提高電網系統運行的穩定性并提高電網的電能質量，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，當容量衰減至80%從汽車上退役后，依舊有多達400到1 000的循環次數，梯次利用價值很高。

化學電源是否能在儲能中獲得經濟利益的關鍵因素是成本和循環壽命[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輸成本，電池系統人工拆解需要的勞動力成本，將拆解所得單體進行篩選與檢測并重組電池過程需要的人工費、測試設備折舊費、電費等；（2）成組電池的電池管理系統成本、電力電子成本，以及運維成本等。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濟效益，得出電池容量大于60%時，動力電池的梯級儲能較常規儲能具有成本競爭優勢的結論。陶志軍[15]根據剩余循環壽命對電池梯級利用的經濟性進行了估算，發現梯次利用電池的性價比隨著循環壽命的增加而快速增加，當電池循環次數大于400次時，將開始產生較大的盈利（見圖3）。假設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模及利潤空間預測

當前，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，這種差異體現在電池容量和外形兩方面。檢選不到位則會導致重組電池的性能難以控制。其次，為了保證使用及運輸等過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，但相關政策的發布（如《拆解規范》《規格尺寸》）將在一定程度上解決這些行業性的發展難題，梯級利用的利潤將會隨著產業的規范化逐漸升高。

2.2 拆解回收

當汽車電池無法達到梯次利用的效果之后，將被送到專業的電池回收公司，將電池中的有色金屬進行回收再利用。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成本，較直接開采礦石的生產方式更具有低價優勢[19]。據權威機構測算[20]，回收鈷、鎳、錳、鋰、鐵和鋁等金屬所創造的市場規模在2020年將達到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，隨著行業需求的增大及相關研究的深入，這兩類廢舊動力電池回收處理的技術水平正在逐步升高。處理廢舊鋰電池的方法有物理法、化學法、生物法三大類，其中物理法主要包括了破碎浮選法、機械研磨法和有機溶劑溶解法等，化學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、產品純度高等特點受到廣泛的認可，國內大部分企業采用的就是濕法回收技術。

濕法冶金處理廢舊電池的主要步驟包含前處理、預處理、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，通過使用無機酸或有機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、設備要求不高，適合工業規模化生產，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較大盈利潛力。廢舊電池的回收再利用的生產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）環境治理成本，即對處理回收過程中產生的廢氣、廢渣、廢液的無害化處理費用；（4）設備成本；（5）人工成本。此外，還包括一些其他支出，如高速通行費、產品包裝費、產品銷售費等[25]。衛壽平等[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26 500元，但鑒于鈷、鋰等金屬市場價格的持續暴漲，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行了統計，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，回收再利用難以獲得收益，重點對其進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濟性分析（元/t）

圖7 廢舊三元動力電池拆解市場規模及利潤空間預測

廢舊三元動力鋰電池拆解回收市場規模及利潤空間預測如圖7所示[14]。到2023年，僅三元電池的拆解市場規模就可達54.1億元。通過拆解回收，鎳、鈷、錳等金屬元素可實現95%以上的回收率，經進一步的資源化，可以生產出鎳、鈷、錳及鋰鹽，以及三元正極材料及其前驅體，將產品直接用于鋰電池電芯制造，有利于閉環產業鏈的構建。隨著未來三元正極材料及其前驅體的發展趨勢，將產品直接用于鋰電動力鋰電池的大規模報廢以及回收渠道正規化、合理化，動力電池回收處理企業將能在動力電池回收板塊中獲取日益增長的利潤。

3 總結與展望

當前，廢舊動力電池梯級利用的主要市場為儲能，在現有鋰電池儲能市場受成本影響發展已近瓶頸的背景下，退役動力電池在未來能有力推進儲能利用的可持續發展，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濟可行性，濕法回收技術是較為適合應用于三元電池回收利用的技術，也是國內外技術領先回收企業所采用的主要回收方法。目前，我國動力鋰電池尚未達到大批次報廢回收的等級，許多回收處理企業無法收到足夠的廢舊電池，小規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廢量的激增，從長期看，未來必將會產生可觀的規模效應。

電池的回收利用目的在于實現其全生命周期的管理，達到廢舊電池無害化、資源化的最終目的[27]。目前，我國動力電池回收利用規模較小，部分末端再生利用企業的動力電池回收利用綜合資源利用率低，僅靠少數資質較高的回收企業也難以支撐回收市場。此外，為保證動力電池回收企業能夠獲得利潤、降低安全隱患以及環境污染、避免不合理的回收，發展相關高端技術也是動力電池回收需要解決的關鍵問題，2017年頒布的《拆解規范》完善了車用動力電池法律標準，為我國車用動力電池的回收利用管理環節提供了技術支撐。我國相關政策的完善及回收網絡的健全，梯次利用與電池生產、拆解回收和電池材料顯現出了融合發展的態勢[28]，促進了電池回收的商業化、標準化。健全的回收體系是回收產業可持續的關鍵，只有創造一個共生共贏的產業鏈生態圈，我國的車用動力電池回收利用才會得到有效發展。