電動汽車廢舊鋰電池的回收系統研究＊

田揚燁，趙軍靜

（武漢工程大學，湖北 武漢430205）

1 面向環境的設計制造基本內涵

面向環境設計制造的基本內涵為：①產品和環境的友好性，即產品—生產—使用—廢棄—回收處理，各個階段對環境無害或危害極小。要求企業在生產過程中選用環保可降解的原材料，使用清潔的能源和工藝制造；報廢產品回收處理時產生的廢棄物少。②最低限度地使用不可再生的材料資源；綠色產品應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最大限度節約能源；綠色產品在生命周期的各個階段所消耗的能源應降到最低，盡可能采用對環境無危害的清潔能源，產品在使用過程中的能源消耗盡可能地降到最低。

2 電動汽車發展現狀及存在的問題

2.1 電動汽車的發展現狀

早在1881年，世界上第一輛電動汽車就已經誕生，當時的電動汽車采用了鉛酸蓄電池作為動力單元，由于續航里程只有16 km，加上當時汽車行業技術水平和制造能力落后，電動車的續航又不能滿足人們的需求，導致電動汽車行業在很長的一段時間里發展緩慢。進入21世紀后，電動汽車在全球提倡綠色經濟發展的時代背景下迎來了契機，并快速得到發展，各大汽車生產廠家和電池制造商都加大了對電動汽車的研究，電池技術、電機驅動技術、能量管理系統及能量回收系統等技術的研發周期得到快速提升。目前，中國、美國、歐盟及日本是世界上生產和銷售電動汽車最多的國家和地區，同時各大電動汽車生產廠家形成相互競爭的關系，優化了管理和服務意識的規范化，提升電動汽車的可靠性，為市場迎來更多的客戶。

中國政府對鋰離子電池的發展持肯定的態度，并通過購車補貼等方式支持電動汽車的發展。《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020年）》《國民經濟和社會發展第十二個五年規劃綱要》《國務院關于加快培養和發展戰略性新興產業的決定》和《汽車產業調整和振興規劃》中均明確表示要發展新能源車和動力電池。2017—2018年全球新能源汽車銷售情況如圖1所示。

2.2 電動汽車大致分為三類

純電動汽車：純電動汽車通過電池作為能源來保證電動汽車的續航，驅動電機是電動汽車的動力核心。純電動汽車沒有直接排放尾氣對自然環境造成污染，且電力能源的利用率高。其缺點是新電池技術的研發成本高，制造成本前期很難降下來，發展的時間較短，還沒有得到質量和可靠性的保證。

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

燃料電池汽車：通過化學反應產生能量作為汽車的動力，能量轉化效率高，零排放，具有可持續發展的優勢，對環境的影響極小，是汽車最理想的動力獲取方式。其缺點是，燃料對汽油的供應管有一定的腐蝕。充電服務設施標準規范的實施，為電動汽車的運營提供了保障。政府對購車實行優惠補貼，并對電動汽車的保險、養路費都實行了一定的優惠。

2.3 電動汽車存在的問題

目前電動汽車充滿一次電的續航里程絕大多數在400 km左右，其續航能力普遍小于傳統燃油車的續航能力。電動汽車和充電樁的配備比只有3.5∶1，大多數的充電樁集中分布在城市范圍。在其他地區充電站的數量是非常少的，農村等偏僻地區甚至是空白。長途行駛續航不足，充電時間較長，不適合長途駕駛。在低溫環境下，電動汽車需要更多的電量，續航里程會減少30%左右，這對本就有里程缺陷的電動車來說，無疑是雪上加霜，會嚴重影響汽車的正常使用。

2.4 鋰離子電池的使用壽命

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

例如：特斯拉汽車的電池有8年的質保期，不限公里數，特斯拉對于自身的電池還是很自信的。寶馬i3的壽命則可以長達15年，基本和燃油車一樣，并且對于車上的電池、驅動電機和電子控制系統提供8年或10萬km的質保。比亞迪作為自主品牌中新能源的領先者，拿比亞迪旗下的e5來說，廠家提供了8年或15萬km的質保方案，對自身的產品質量也是很有信心。電池使用8年左右容量衰減在30%內均屬于正常。三元鋰電因為功率密度高，低溫放電特性好，可以大功率充放電，被越來越多的廠商采用，連比亞迪都已經開始轉戰三元鋰電，但是鋰電池容量衰減是一個無法回避的問題。

2.5 電動汽車鋰離子電池報廢處理存在的問題

在中國乃至世界多數國家，汽車成本未能包含尾氣污染、霧霾和擁堵造成的浪費時間的成本，電動汽車沒有計算廢舊電池的回收處理和化石能源發電對環境造成的污染的成本。中國的書籍幾乎是世界上最廉價的，但這個價格卻未能反映其真實成本：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環境的污染。塑料材質對設計產品的美觀、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，開始取代飛機里的一些重要金屬部件，它的改進功不可沒，在很大程度上降低了產品的市場價格，然而，這個成本同樣沒有包含上百年才能降解所造成的環境污染和土壤破壞的成本。

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

表1 廢舊鋰離子電池中主要金屬對人體的危害

3 加強電動汽車發展對環境的保護方法

3.1 政策引導實現廢舊鋰離子電池回收處理規范化發展

想要從根本上解決廢舊鋰電池處理難題，首先，政府須盡快出臺相關法律法規和行業政策，制定詳細的操作管理準則，對規范的廢舊鋰電池處理企業在資金和政策上給予扶持。其次，建立健全生產企業責任延伸制度，通過法律法規要求電池生產商承擔起處置廢舊鋰離子電池的回收利用責任。

3.2 建立科學的鋰電池回收方法

中國缺少廢舊鋰離子電池的回收方法，對于小型便攜式電器使用完后的廢舊鋰離子電池，大多數消費者會選擇直接丟棄，極少的消費者會放到指定的回收地點，這就需要加大回收廢舊鋰離子電池的知識宣傳力度，明確告知經銷商和消費者應該盡到的義務，在經銷商和消費者之間建立合理的回收網絡，消費者在購買新的鋰離子電池的同時帶來了廢棄的鋰離子電池，商家可以給予一定的經濟補償。對于汽車動力鋰離子電池，車輛維修或者更換的地點相對比較集中，可以采用以舊抵新或生產廠家質保的方式，使得消費者在更換新鋰離子電池時可以獲得一定的經濟補償。

3.3 加強技術研發提高鋰電池生產和回收技術水平

從鋰離子電池的全生命周期出發，鼓勵開發低耗高能、低污染的電池產品和生產工藝，積極推行低污染的生產工藝和設備，從源頭對污染物實施控制。另一方面，加強對廢舊鋰離子電池處理處置技術的研發，積極引進和借鑒國內外已有成熟的廢舊電池處理技術。

4 總結

電動汽車的發展是為了解決環境污染和能源面臨枯竭的問題，在電動汽車發展的同時也帶來了新的問題。還沒有科學依據表明電動汽車和燃油汽車誰對未來環境的破壞更大，真正的清潔能源還是需要科學家們不斷地去開發。電動汽車發展的速度太過迅速，廢舊鋰離子電池的回收技術還沒有得到完善，一旦不加以控制，后果不堪設想。未來的汽車需要在減少能源消耗的同時注重減少對環境的污染。如今人類社會正在高速發展，時時刻刻都在破環自然環境，設計的未來趨勢應當是調節設計與人、設計與設計、設計與自然、設計與社會之間的平衡關系，使其達到和諧發展。