電動(dòng)汽車廢舊鋰電池的回收系統(tǒng)研究＊

田揚(yáng)燁，趙軍靜

（武漢工程大學(xué)，湖北 武漢430205）

1 面向環(huán)境的設(shè)計(jì)制造基本內(nèi)涵

面向環(huán)境設(shè)計(jì)制造的基本內(nèi)涵為：①產(chǎn)品和環(huán)境的友好性，即產(chǎn)品—生產(chǎn)—使用—廢棄—回收處理，各個(gè)階段對(duì)環(huán)境無害或危害極小。要求企業(yè)在生產(chǎn)過程中選用環(huán)保可降解的原材料，使用清潔的能源和工藝制造；報(bào)廢產(chǎn)品回收處理時(shí)產(chǎn)生的廢棄物少。②最低限度地使用不可再生的材料資源；綠色產(chǎn)品應(yīng)盡量減少不可再生材料的使用，盡量避免使用有害、有毒材料。③最大限度節(jié)約能源；綠色產(chǎn)品在生命周期的各個(gè)階段所消耗的能源應(yīng)降到最低，盡可能采用對(duì)環(huán)境無危害的清潔能源，產(chǎn)品在使用過程中的能源消耗盡可能地降到最低。

2 電動(dòng)汽車發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題

2.1 電動(dòng)汽車的發(fā)展現(xiàn)狀

早在1881年，世界上第一輛電動(dòng)汽車就已經(jīng)誕生，當(dāng)時(shí)的電動(dòng)汽車采用了鉛酸蓄電池作為動(dòng)力單元，由于續(xù)航里程只有16 km，加上當(dāng)時(shí)汽車行業(yè)技術(shù)水平和制造能力落后，電動(dòng)車的續(xù)航又不能滿足人們的需求，導(dǎo)致電動(dòng)汽車行業(yè)在很長的一段時(shí)間里發(fā)展緩慢。進(jìn)入21世紀(jì)后，電動(dòng)汽車在全球提倡綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展的時(shí)代背景下迎來了契機(jī)，并快速得到發(fā)展，各大汽車生產(chǎn)廠家和電池制造商都加大了對(duì)電動(dòng)汽車的研究，電池技術(shù)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)、能量管理系統(tǒng)及能量回收系統(tǒng)等技術(shù)的研發(fā)周期得到快速提升。目前，中國、美國、歐盟及日本是世界上生產(chǎn)和銷售電動(dòng)汽車最多的國家和地區(qū)，同時(shí)各大電動(dòng)汽車生產(chǎn)廠家形成相互競(jìng)爭的關(guān)系，優(yōu)化了管理和服務(wù)意識(shí)的規(guī)范化，提升電動(dòng)汽車的可靠性，為市場(chǎng)迎來更多的客戶。

中國政府對(duì)鋰離子電池的發(fā)展持肯定的態(tài)度，并通過購車補(bǔ)貼等方式支持電動(dòng)汽車的發(fā)展。《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》《國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃綱要》《國務(wù)院關(guān)于加快培養(yǎng)和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》和《汽車產(chǎn)業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃》中均明確表示要發(fā)展新能源車和動(dòng)力電池。2017—2018年全球新能源汽車銷售情況如圖1所示。

2.2 電動(dòng)汽車大致分為三類

純電動(dòng)汽車：純電動(dòng)汽車通過電池作為能源來保證電動(dòng)汽車的續(xù)航，驅(qū)動(dòng)電機(jī)是電動(dòng)汽車的動(dòng)力核心。純電動(dòng)汽車沒有直接排放尾氣對(duì)自然環(huán)境造成污染，且電力能源的利用率高。其缺點(diǎn)是新電池技術(shù)的研發(fā)成本高，制造成本前期很難降下來，發(fā)展的時(shí)間較短，還沒有得到質(zhì)量和可靠性的保證。

混合動(dòng)力汽車：混合動(dòng)力汽車擁有兩套動(dòng)力單元，一套是傳統(tǒng)的化石燃料動(dòng)力單元，一套是新電池技術(shù)下的電力驅(qū)動(dòng)，兩種動(dòng)力相互使用；相對(duì)傳統(tǒng)的化石燃料汽車，油耗明顯降低，能夠有效節(jié)約資源；相對(duì)純電動(dòng)汽車，在汽車行駛過程中，如果電能不足，可以利用化石燃料來補(bǔ)充動(dòng)力，在能量回收系統(tǒng)的幫助下，電池可以通過轉(zhuǎn)換裝置補(bǔ)充電量，減少電池的充電次數(shù)，提高電池壽命。目前，在全球范圍內(nèi)，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的技術(shù)比較成熟，通過政策的影響，很多國家計(jì)劃在2025年內(nèi)取消純內(nèi)燃機(jī)汽車的制造，未來將會(huì)朝著更清潔的燃料電池汽車方向發(fā)展。

燃料電池汽車：通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生能量作為汽車的動(dòng)力，能量轉(zhuǎn)化效率高，零排放，具有可持續(xù)發(fā)展的優(yōu)勢(shì)，對(duì)環(huán)境的影響極小，是汽車最理想的動(dòng)力獲取方式。其缺點(diǎn)是，燃料對(duì)汽油的供應(yīng)管有一定的腐蝕。充電服務(wù)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的實(shí)施，為電動(dòng)汽車的運(yùn)營提供了保障。政府對(duì)購車實(shí)行優(yōu)惠補(bǔ)貼，并對(duì)電動(dòng)汽車的保險(xiǎn)、養(yǎng)路費(fèi)都實(shí)行了一定的優(yōu)惠。

2.3 電動(dòng)汽車存在的問題

目前電動(dòng)汽車充滿一次電的續(xù)航里程絕大多數(shù)在400 km左右，其續(xù)航能力普遍小于傳統(tǒng)燃油車的續(xù)航能力。電動(dòng)汽車和充電樁的配備比只有3.5∶1，大多數(shù)的充電樁集中分布在城市范圍。在其他地區(qū)充電站的數(shù)量是非常少的，農(nóng)村等偏僻地區(qū)甚至是空白。長途行駛續(xù)航不足，充電時(shí)間較長，不適合長途駕駛。在低溫環(huán)境下，電動(dòng)汽車需要更多的電量，續(xù)航里程會(huì)減少30%左右，這對(duì)本就有里程缺陷的電動(dòng)車來說，無疑是雪上加霜，會(huì)嚴(yán)重影響汽車的正常使用。

2.4 鋰離子電池的使用壽命

對(duì)于汽油車來說，一般壽命都可以在15年以上，而且私家車如果能通過檢驗(yàn)，就沒有報(bào)廢年限的限制。而最影響電動(dòng)汽車壽命的就是電池壽命，電機(jī)和電機(jī)控制器等技術(shù)目前已經(jīng)很成熟了，不在考慮范疇內(nèi)。電池的壽命就制約了電動(dòng)汽車的壽命。而不同的汽車公司電池的壽命和保養(yǎng)年限也是有所不同的。

例如：特斯拉汽車的電池有8年的質(zhì)保期，不限公里數(shù)，特斯拉對(duì)于自身的電池還是很自信的。寶馬i3的壽命則可以長達(dá)15年，基本和燃油車一樣，并且對(duì)于車上的電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電子控制系統(tǒng)提供8年或10萬km的質(zhì)保。比亞迪作為自主品牌中新能源的領(lǐng)先者，拿比亞迪旗下的e5來說，廠家提供了8年或15萬km的質(zhì)保方案，對(duì)自身的產(chǎn)品質(zhì)量也是很有信心。電池使用8年左右容量衰減在30%內(nèi)均屬于正常。三元鋰電因?yàn)楣β拭芏雀撸蜏胤烹娞匦院茫梢源蠊β食浞烹姡辉絹碓蕉嗟膹S商采用，連比亞迪都已經(jīng)開始轉(zhuǎn)戰(zhàn)三元鋰電，但是鋰電池容量衰減是一個(gè)無法回避的問題。

2.5 電動(dòng)汽車鋰離子電池報(bào)廢處理存在的問題

在中國乃至世界多數(shù)國家，汽車成本未能包含尾氣污染、霧霾和擁堵造成的浪費(fèi)時(shí)間的成本，電動(dòng)汽車沒有計(jì)算廢舊電池的回收處理和化石能源發(fā)電對(duì)環(huán)境造成的污染的成本。中國的書籍幾乎是世界上最廉價(jià)的，但這個(gè)價(jià)格卻未能反映其真實(shí)成本：因樹木砍伐造成的水土流失、造紙污染了河流與地下水以及難以降解的印刷油墨對(duì)環(huán)境的污染。塑料材質(zhì)對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的美觀、輕便及功能都有很大的幫助。耐高溫塑料是制造汽車引擎的材料，20世紀(jì)80年代，以新型碳纖維和其他合成物形成的新型塑料，開始取代飛機(jī)里的一些重要金屬部件，它的改進(jìn)功不可沒，在很大程度上降低了產(chǎn)品的市場(chǎng)價(jià)格，然而，這個(gè)成本同樣沒有包含上百年才能降解所造成的環(huán)境污染和土壤破壞的成本。

鋰離子電池的使用壽命有限，當(dāng)鋰離子電池的被廢棄后，其中鈷、鎳、錳和含氟化合物等物質(zhì)會(huì)給自然環(huán)境造成巨大的污染。如果不對(duì)廢舊鋰離子電池進(jìn)行系統(tǒng)的回收再利用，不僅會(huì)給環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，還會(huì)造成資源的巨大浪費(fèi)。廢舊的鋰離子電池會(huì)產(chǎn)生廢極片和廢電池；廢極片一般采用溶劑浸法，使活性物質(zhì)和集流體分開，回收鈷、鋁和銅等材料；廢電池采用拆解法，只回收價(jià)值較高的鈷、鎳和銅等物質(zhì)，而其他物質(zhì)直接作為廢棄物直接拋棄，對(duì)環(huán)境的影響極大。廢舊鋰離子電池中主要金屬對(duì)人體的危害如表1所示。

表1 廢舊鋰離子電池中主要金屬對(duì)人體的危害

3 加強(qiáng)電動(dòng)汽車發(fā)展對(duì)環(huán)境的保護(hù)方法

3.1 政策引導(dǎo)實(shí)現(xiàn)廢舊鋰離子電池回收處理規(guī)范化發(fā)展

想要從根本上解決廢舊鋰電池處理難題，首先，政府須盡快出臺(tái)相關(guān)法律法規(guī)和行業(yè)政策，制定詳細(xì)的操作管理準(zhǔn)則，對(duì)規(guī)范的廢舊鋰電池處理企業(yè)在資金和政策上給予扶持。其次，建立健全生產(chǎn)企業(yè)責(zé)任延伸制度，通過法律法規(guī)要求電池生產(chǎn)商承擔(dān)起處置廢舊鋰離子電池的回收利用責(zé)任。

3.2 建立科學(xué)的鋰電池回收方法

中國缺少廢舊鋰離子電池的回收方法，對(duì)于小型便攜式電器使用完后的廢舊鋰離子電池，大多數(shù)消費(fèi)者會(huì)選擇直接丟棄，極少的消費(fèi)者會(huì)放到指定的回收地點(diǎn)，這就需要加大回收廢舊鋰離子電池的知識(shí)宣傳力度，明確告知經(jīng)銷商和消費(fèi)者應(yīng)該盡到的義務(wù)，在經(jīng)銷商和消費(fèi)者之間建立合理的回收網(wǎng)絡(luò)，消費(fèi)者在購買新的鋰離子電池的同時(shí)帶來了廢棄的鋰離子電池，商家可以給予一定的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償。對(duì)于汽車動(dòng)力鋰離子電池，車輛維修或者更換的地點(diǎn)相對(duì)比較集中，可以采用以舊抵新或生產(chǎn)廠家質(zhì)保的方式，使得消費(fèi)者在更換新鋰離子電池時(shí)可以獲得一定的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償。

3.3 加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)提高鋰電池生產(chǎn)和回收技術(shù)水平

從鋰離子電池的全生命周期出發(fā)，鼓勵(lì)開發(fā)低耗高能、低污染的電池產(chǎn)品和生產(chǎn)工藝，積極推行低污染的生產(chǎn)工藝和設(shè)備，從源頭對(duì)污染物實(shí)施控制。另一方面，加強(qiáng)對(duì)廢舊鋰離子電池處理處置技術(shù)的研發(fā)，積極引進(jìn)和借鑒國內(nèi)外已有成熟的廢舊電池處理技術(shù)。

4 總結(jié)

電動(dòng)汽車的發(fā)展是為了解決環(huán)境污染和能源面臨枯竭的問題，在電動(dòng)汽車發(fā)展的同時(shí)也帶來了新的問題。還沒有科學(xué)依據(jù)表明電動(dòng)汽車和燃油汽車誰對(duì)未來環(huán)境的破壞更大，真正的清潔能源還是需要科學(xué)家們不斷地去開發(fā)。電動(dòng)汽車發(fā)展的速度太過迅速，廢舊鋰離子電池的回收技術(shù)還沒有得到完善，一旦不加以控制，后果不堪設(shè)想。未來的汽車需要在減少能源消耗的同時(shí)注重減少對(duì)環(huán)境的污染。如今人類社會(huì)正在高速發(fā)展，時(shí)時(shí)刻刻都在破環(huán)自然環(huán)境，設(shè)計(jì)的未來趨勢(shì)應(yīng)當(dāng)是調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)與人、設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)與自然、設(shè)計(jì)與社會(huì)之間的平衡關(guān)系，使其達(dá)到和諧發(fā)展。