新能源汽車廢舊動力電池回收淺析

王建海　連鑫　宋瑞

摘 要：鋰離子動力電池的回收利用是新能源汽車發展過程中無法回避的問題。本文簡單分析了目前退役鋰離子電池回收利用的處理方式，同時回顧了國內外鋰離子電池回收利用的現狀，提出了中國鋰離子電池回收產業將會呈現以電池生產商、行業聯盟和專業第三方回收公司為主流的商業模式。

關鍵詞：鋰離子電池 回收 環保

Analysis on the Recycling of Waste Power Batteries of New Energy Vehicles

Wang Jianhai Lian Xin Song Rui

Abstract：The recycling of lithium-ion power batteries is an unavoidable problem in the development of new energy vehicles. This article briefly analyzes the current recycling and utilization of decommissioned lithium-ion batteries. At the same time， it reviews the current status of domestic and foreign lithium-ion battery recycling. It is proposed that Chinas lithium-ion battery recycling industry will be represented by battery manufacturers， industry alliances and professional third parties. Recycling companies are the mainstream business model.

Key words：Lithium-ion battery， recycling， environmental protection

1 前言

能源是社會發展的重要推動力，人類社會的進化史可以歸結為能源的發展史。能源變革促進社會生產力的飛躍，傳統化石燃料大大加快了人類社會步入工業化的進程，創造了巨大的社會財富。但與此同時，能源過度消耗導致的能源危機以及傳統化石燃料在能源消耗過程中產生了一系列生態問題（如溫室效應、大氣污染、酸雨等）[1]。在日益增長的能源需求下，如何保證能源的持續供給且不再加重生態系統的負擔是一個亟待解決的問題，這也是后石油時代全球面臨的共同問題。為了維持社會的繁榮及可持續發展，開發新型清潔、綠色、可再生的替代能源成為人們的必然選擇，同時新能源革命也是解決空氣污染、能源危機及全球氣候變暖的必經之路。

目前，人們主要關注于自然能源（如太陽能、風能、潮汐能等）的使用及利用率，即通過一定的技術手段對此類型能源加以開發利用，在用電低谷期完成高效存儲，并在用電高峰期進行供電補償，以此來緩解傳統化石燃料帶來的環境污染等問題。但自然能源因自身的局限性（如間歇性、不穩定及分布不均等）并未得到有效利用，高效的能量儲存系統是充分利用自然能源的必要條件。而目前，世界上絕大比例的能量（約98%）仍是依靠水力蓄能的方式進行存儲，根據水力蓄能的效率，將1立方的水提升1米的高度僅能得到約3Wh的能量[2]。考慮到能量存儲系統的成本、適應性、易用性等因素，開發出一種高效的能量儲存系統是實現清潔能源穩定、可靠使用的關鍵。

電池是一種將化學能與電能相互轉換的裝置，在現有的能量儲存系統中占有極其重要的地位。作為電化學儲能的典型代表，鋰離子電池因能量密度高、循環壽命長、環境適應性強等優點在能力儲存領域中扮演著重要角色。自1991年索尼公司推出商品化的鋰離子電池后，鋰離子電池憑借其高能量密度、便攜性等突出優勢迅速滲透于我們的日常生活中。近年來，在綠色清潔能源的需求驅動下，鋰離子電池從最初作為3C電子產品電源向更多能量存儲領域延伸，如新能源汽車、大型儲能電站等。在全球新能源汽車戰略的實施驅動下，新能源汽車（純電動汽車、插電式混合動力汽車）市場保有量由2016年的200萬輛上升至2017年的300萬輛，并仍以較高的速度增長。預計到2025年，全球新能源汽車的保有量將達2000萬輛左右[3-5]。如此大的新能源汽車市場意味著巨大的鋰離子電池市場規模，與此同時，當大量鋰離子電池壽命終止時，如何有效地處置退役電池也是我們必須要考慮的一個問題。如果隨意地丟棄或者進行簡單的填埋處理，將會再次對生態環境造成嚴重的傷害，同時也是對資源的巨大浪費。這是因為廢棄的鋰離子電池中含有鈷、鎳、錳和含氟化合物以及有機溶劑等會給環境造成嚴重污染，其中鈷元素廣泛應用于軍事及工業中，具有極其重要的戰略地位。巨大的鈷源消耗量也導致鈷價的飛漲，同時，作為鋰離子電池生產中的基本元素—鋰，鋰源（以Li2CO3為例）的價格在過去的十年中也漲了近三倍[6]。

廢舊電池中鋰的含量約為2—7wt%，遠遠高于鋰礦中的含鋰量，據相關研究預算，從28t廢舊電池中即可提取1t的鋰，而如果從鋰礦中提取1t鋰則至少需要250t的鋰礦[2]。同樣地，廢舊電池中也含有大量的貴金屬，通過對廢舊退役電池進行批量回收處理，不僅可以緩解其對生態環境造成的壓力，更是具有相當可觀的經濟效益。按照全球推進新能源汽車的進程，規模化退役高潮即將來臨，就新能源汽車而言，鋰離子動力電池的壽命約為5—8年，按照目前回收的綜合效益計算，鋰離子電池回收價值為0.3元/瓦時，預計2020年理論報廢量將達到37GWh，其回收市場規模將達百億元級別。作為構筑產業鏈閉環的關鍵，鋰離子電池回收兼具環保性和經濟性，具有巨大的發展空間。

2 退役鋰離子電池處理方法

目前，針對廢舊動力鋰離子電池的處理方式主要有三種：重新制造、重新利用、回收[7]。重新制造與重新利用是從延長電池的使用期限、盡可能的擴大鋰離子電池的使用范圍來實現經濟，而回收則是直接進行元素回收來實現經濟性，進而實現整個產業鏈的閉環。

重新制造是指對應用于電動汽車中的動力電池包中少數性能不達標的單體或模組進行替換，使重組后的電池包滿足車用電池包所規定的SOC、SOH、功率、能量、循環壽命等指標，繼續布署于原始應用中。根據美國高級電池協會（USABC）的規定，當電池模塊或電池包的功率小于其原始額定值的80%時，將不再滿足電動汽車的使用要求。然而，在對電池組的實際檢查過程中發現電池包失效往往是由于內部的少數單體或者模組出現了問題，大部分的電池模組還處于正常狀態，只需要對失效的模組或單體進行更換就能繼續發揮其價值。據相關成本效益分析，相比于更換全新的電池包，采用重新制造的電池包約節省40%的成本[8]。但重新制造對電池包的質量及指標要求十分嚴格，同時需要先進的診斷技術做保障。

重新利用，又名梯次利用，是指動力電池不再滿足電動汽車的使用規定時，轉向對電池包性能要求不高的領域（如備用電源、儲能電站等）繼續發揮電池包的剩余價值，以實現價值的最大化。同樣地，重新利用也會涉及到電池的檢測診斷、電池包的拆解重組和系統集成以及構建新的電池管理系統（BMS）。但目前由于各制造商采用不同規格的單體及模組、不同的pack技術甚至不兼容、不開放的電池管理系統，都對電池重新利用中的分級與重組整合造成很大的阻礙。因此，高效的自動化拆解、模組的快速篩選分級、先進的BMS管理系統是重新利用的關鍵技術。總結全球各國在動力電池重新利用的經驗，建立一套可溯源的大數據平臺可有效推進電池的重新利用，該大數據平臺應包括：（1）電芯研發生產數據庫，（2）電池包研發生產數據庫，（3）電池包車載運行監控數據庫。通過這三個數據庫實現對電芯來料、生產、pack技術、以及運行狀態等全方位監控。目前，動力電池生產制造商和整車廠商在信息獲取方面具有“先天優勢”，同時具備渠道優勢，能夠以較低成本促進動力電池的快速流轉。

回收，是指采取一定的方式對退役失效電池中的有價值元素重新富集，同時對有害物質進行處理的過程。不同于重新制造和重新利用，回收對待處理的動力電池的性能參數以及成組方式無任何特殊要求。作為動力電池最終的處理手段，回收利用主要包括兩個過程：（1）退役電池的預處理，包括分類、剩余電量放電及拆解、粉碎，其中放電主要是將廢舊電池放置于氯化鈉溶液中進行;（2）后續處理，包括回收拆解后各類廢料中的高價值組分，開展電池材料的修復或再造。目前，主要的回收方法包括：干法回收工藝、濕法回收工藝、生物回收工藝等，其中干法回收與濕法回收是目前企業主流的回收工藝。但由于當前市場上鋰離子動力電池的體系的多樣性，就正極材料而言，主要有鈷酸鋰系列（Li2CO3）、磷酸鐵鋰系列（LiFePO4）、錳酸鋰系列（LiMn2O4）、三元材料系列（LiNixMnyCozO2，LiNixCoyAlzO2，其中x+y+z=1）。不同的電池組分以及pack方式均對電池的回收造成一定的阻礙，且隨著目前鋰離子電池逐步轉向高鎳低鈷的工藝，甚至是無鈷的電池體系，對現有的以鈷元素回收為主的商業模式提出了很大的挑戰，后續仍然需要改善回收工藝，實現對電池材料的全面回收以挖掘更多的利潤。以上三種對退役鋰離子電池的回收處理方案，從價值最大化的角度來看，針對規模化的退役鋰離子電池，首先進行重新制造或者重新利用，最后再進入回收階段是最為理想的解決方案[9]-[10];但從整個生態系統循環的角度來看，回收可以使有價值的元素迅速返回價值鏈進行再生產，可以緩解對現有資源的開發壓力。

3 國內外回收退役鋰離子電池現狀

3.1 國外發展現狀

國外發達國家在動力電池回收利用方面，主要有以下幾個模式：

（1）日本。早在電動汽車推廣之前，日本就前瞻性地布局了動力電池的回收利用。在2000年，就建立了“動力電池生產—銷售—回收—再生處理”回收體系，并明確電池生產企業為回收主體，通過汽車經銷商、加油站、零售商等主要渠道進行廢舊電池回收。在2018年，以豐田、本田等多家汽車廠商以聯盟的形式共同推進電動汽車用退役動力電池的回收，該模式是由汽車拆卸網點將退役電池拆解出來，就近轉到回收利用工廠進行回收處理，汽車生產廠商對回收利用企業進行一定的補貼。

（2）美國。美國向來重視環境管理方面的工作，針對廢舊退役電池的流通環節有著嚴格的技術規范，同時實行生產者責任延伸制度和押金制度。如在動力電池出售時以附加環境費的方式對消費者收取一定的費用，作為動力電池回收利用資金的支持，同時在動力電池企業賣出提純的回收原材料時給予一定的價格保障，保證電池回收企業的利潤，由此促進電池回收利用的發展。

（3）歐盟。歐盟國家從2008年開始強制推行退役動力電池回收，并指明由電池生產產商承擔回收費用。德國在電池回收利用方面做的最為成熟，目前已經建立了完善的回收利用體系的法律制度，對電池生產商和經銷商采取嚴格地登記，同時規定經銷商配合生產企業進行退役電池回收，消費者也具有提交退役電池至指定回收商的法定義務。

3.2 國內發展現狀

目前，國內參與鋰電退役電池回收的企業眾多，不僅包括電池產業鏈的上游原材料生產企業，也包括產業鏈的中游電池制造企業以及獨立的第三方回收公司，但主要的回收模式有三種：一是以動力電池生產商為主的回收模式，典型代表為寧德時代。寧德時代作為鋰離子動力電池生產的龍頭企業，通過收購邦普集團股份，形成了“生產-銷售-回收—生產”的循環模式，邦普在電池回收領域一直處于國內領先水平，其自主研發的模組、單體拆解裝備30000套，年處理廢舊電池總量超20000噸，回收規模及資源循環產能已躍居亞洲首位，其“逆向產品定位設計”技術解決了回收領域“廢料還原”的難題，同時也掌握了與原料對接的“定向循環”核心技術。二是汽車生產商以聯盟的形式自建回收體系，用以回收旗下所售的退役動力電池，典型代表為北汽新能源。北汽新能源的“擎天柱計劃”則專注于退役電池的梯次利用，實現新能源汽車、動力電池、光伏發電儲能等深度融合，進而實現動力電池價值的最大化利用。三是由專業的第三方回收企業進行回收，典型代表為天奇股份。其通過控股深圳乾泰能源再生技術有限公司和完成對金泰閣的收購，掌握動力電池拆解回收的核心技術，同時與國內新能源汽車企業穩定合作，大舉進入鋰電回收領域，布局新能源汽車動力電池回收。

4 總結

借鑒海外發達國家（如日本、美國、歐盟等）在廢舊鋰離子電池回收利用發展可以發現，未來鋰電回收產業會呈現以電池生產商、行業聯盟和專業第三方為主流的商業模式。同時，健全的法律法規和完善的回收體系是電池回收利用的關鍵，利用法律的強制性約束動力電池產業鏈上的各相關主體，充分實施生產者承擔主要責任、相關主體配合回收的模式，同時在關鍵環節方面輔以政策支持與補貼。

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本文受“廣東省重點領域研發計劃”資金資助，項目號：2020B090919004”，資金英文名稱為“Key-Area Research and Development Program of Guangdong Province”