動力電池回收概況及發展前景展望

彭 準，劉少葵，劉勇奇，鞏勤學

(湖南邦普循環科技有限公司，湖南 長沙 410600)

新能源汽車行業發展迅猛，國家政策有力的提供了發展驅動力，新能源汽車與動力電池的產量逐年增加。鋰電池的使用壽命一般為3～5年，報廢動力電池正在爆發性增長。據預測2025年中國退役動力鋰電池達到134.49 GWh，回收拆解價值達到177.96億元[1]，具有廣闊發展前景。

鋰電池由正負極、電解液、集流體、隔膜以及外殼等組成，能量密度高、循環性能好、自放電率低。失效電池對環境危害性極大，大量有價金屬和電解液遷移導致土壤酸堿化、水體惡化、空氣污染[2]。廢電池中含有大量金屬極具的回收價值，例如NCM三元鋰電池含有金屬鈷5%～20%、鎳5%～12%、錳7%～10%、鋰2%～5%[3]，遠高于礦山開采的富礦中金屬含量，同時我國鋰、鈷、鎳資源儲量較少，對國外資源依賴較為嚴重，變廢為寶具有戰略性意義。

1 工藝概況

1.1 預處理工藝

廢舊電池回收預處理流程包括放電、外殼拆解、電池粉碎[4]。放電主要有物理放電和化學放電這兩種，穆德穎等[5]采用30 g/L的NaCl溶液放電9 h，電池殘余電壓為0.5 V。湖南邦普循環有限公司[6]發明了一種用于鋰電池的放電托盤，既兼顧了單體的放電速度和數量，實現了電池包批量高效放電，同時滿足環保要求。電池包拆解流程包括高溫熱解、機械破碎、粒徑分選、密度分選等[7]。馬成等[8]采用一套智能工藝設備對報廢動力電池包進行拆解、破碎、分離、熱解、歸集，有效的提高分選效率及正負極材料的回收率，其中Cu、Al回收率大于95%，正、負極粉的回收率大于98%。深圳清研裝備科技有限公司在動力電池綠色回收方面取得重大突破，通過安全環保放電技術、電解液高效回收技術、正負極材料精準分離技術三大創新，推動綠色回收行業發展，具有顯著經濟效益、環境效益、社會效益。

1.2 浸出工藝

報廢電池經預處理工序得到極片粉后，一般采用硫酸、鹽酸、硝酸、草酸、氨等有機或無機溶劑進行浸出工序。Zhang Z等[9]在研究中使用硫酸浸出體系，鎳、鈷、鋰浸出率接近100%。袁文輝等[10]采用鹽酸體系，鹽酸濃度2 mol/L、液固比25∶1(mL/g)、在45 ℃條件下攪拌反應6 h，實現99.80%的鈷和99.27%的銅浸出。Yuliusman等[11]使用硝酸-雙氧水體系，以3 mol/L硝酸在90 ℃的條件下反應，鈷的浸出率為98.01%；氨浸因選擇性浸出特性受到廣泛關注。Zheng X H等[12]以氨水和硫酸銨為浸出劑、亞硫酸鈉為還原劑，在最佳條件下鎳鈷錳浸出率高達98.6%，而錳浸出率僅1.36%。

1.3 萃取工藝

浸出工序的金屬液組分復雜，溶劑萃取法是一個常見的分離方法，可以富集有價金屬，提高綜合回收率。常見的有機萃取劑包括P204、P507、PC-88A、Cyanex 272、D2EHPA等。鄭茹娟等[13]先通過調pH除鐵，然后使用銅萃取劑除銅，最后使用磷酸酯類萃取劑除鋅、鋁、鈣等，鎳、鈷、錳和鋰的回收率分別為94%，95%，91%和91%。Wang F等[14]實驗結果表明，兩種萃取劑有明顯的協同作用。張英杰等[15]開發了一種基于共萃取和共沉淀的廢舊電池處理新方法，以回收有價金屬和再生正極材料。采用D2EHPA+煤油萃取體系，完成100%Mn、99%Co和85%Ni的共萃取、實現與Li分離。

1.4 合成工藝

浸出液經萃取等方式分離后，根據金屬離子組分和含量，可合成制備不同型式的回收產物。張英杰等[15]通過沉淀法將Li以Li2CO3形式從萃余液中回收，Li2CO3純度達到99.2%。曹玲等[16]采用磷酸體系-草酸共沉淀法-加鋰煅燒所制備的再生正極材料首次放電容量為136.4 mA·h/g，在0.2C條件下循環充放電50次后容量保持率為97.2%。吳彤等[17]以廢鈷酸鋰電池為原料，通過前處理-浸出-共沉淀法制備得到再生正極材料LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2，在0.2 C、2.8～4.3 V范圍內進行測試首次比容量為210.8 mA·h/g，具有較為優異的比容。Meng等[18]直接用機械化學活化和固相燒結處理廢舊鋰離子電池制備正極材料，0.2 C時首次放電容量為165 mAh/g，同時具有不錯的循環性能。

目前雖然對動力電池回收進行較為廣泛的研究，但是仍存在能耗大、工序冗長、分離純化損耗高、二次三廢等問題，所以需要對工藝技術路線進一步改良。

2 市場概況

2.1 新能源汽車市場

連續7年，我國新能源汽車銷量和保有量保持世界第一。據中國汽車工業協會統計，2021年1-7月，新能源汽車產、銷量為150.4、147.8萬輛，同比增長200%，截至上半年，新能源汽車保有量約603萬輛。

2.2 動力電池市場

新能源汽車產銷量持續走高，相比去年同期翻了兩番，楊俊峰等[19]對電池裝機規模初步預測見圖1，而最新數據顯示，2021年1-9月累計裝機量達到92.03 GWh，裝機量可能會超過預估值。產業信息網對退役動力電池預測見圖2。

圖1 2021-2025年中國動力鋰電池裝機規模走勢[19]Fig.1 Trend of installed capacity of power lithium battery in China from 2021 to 2025

據楊俊峰[19]報告中分析，“十四五”期間，鋰、鈷、鎳需求量分別為12.9萬t、70.8萬t和15.1萬t，而我國這些金屬資源儲量不足，嚴重依賴進口。三元動力電池中鎳、鈷、錳、鋰含量高，磷酸鐵鋰中鋰也遠高于鋰礦石中含量，有效回收退役報廢的動力鋰電池，能在一定程度上彌補資源不足。目前，邦普循環、格林美、贛鋒鋰業等知名電池回收企業均采用濕法回收三元材料，對于磷酸鐵鋰電池回收的相關報道較少。清華大學研發的磷酸鐵鋰回收工藝[20]，其中磷酸鐵、鈦、鋰回收率可達95%以上，這對磷酸鐵鋰規?；h利用起到一定的推動作用。

圖2 2021-2025年中國動力鋰電池退役規模Fig.2 Domestic power lithium battery decommissioning scale in 2021-2025

表1 磷酸鐵鋰和三元動力電池金屬組分含量Table 1 Metal component content of lithium iron phosphate and ternary power battery

2.3 “三元”VS磷酸鐵鋰

據中國汽車動力電池產業創新聯盟發布的最新數據。今年1-9月動力電池產量134.7 GWh，比去年同期升高195%，其中三元62.8 GWh、磷酸鐵鋰71.6 GWh；動力電池銷量 106.8 GWh，比去年同期升高176.9%，其中三元49.3 GWh、磷酸鐵鋰56.7 GWh，三元體量比及同比增速均被磷鐵反超。國內三元動力鋰電池裝車量(51.2%)以微弱優勢高于磷酸鐵鋰(48.7%)，年底磷酸鐵鋰裝車量或將反超三元。但在2018-2020年這幾年期間，三元電池產、銷、裝車量均領先磷酸鐵鋰。技術突破及政策變動是影響份額的主要誘因，未來二者或將呈現交替上升的態勢。

2.4 新秀 “固態電池”和“鈉離子電池”

從1974年Laing C等[21]開始對固態電解質研究至今取得了眾多成果，固態電池具有高能力密度、循環性好等優點。SolidPower、QuantumScape、輝能科技、江蘇晴陶、贛鋒鋰業等企業在固態電池研發上取得了不錯的成果，江蘇清陶在去年投產產線已成功應用于特種電源、高端數碼領域；輝能科技研發的固態電池使用抗壓固態陶瓷電解質，具有優異的高低溫性能及安全特性，2019年輝能與蔚來等汽車廠商達成合作；SolidPower采用具有不燃特性的固態硫化物電解質，其能量密度320 Wh/kg，該公司已獲得福特、寶馬、沃爾沃等世界知名汽車廠商的投資；QuantumScape做為上市公司正籌建生產裝車測試固態電池并積極推進商業化進程。國內各大汽車及電池廠商紛紛布局，雖然固態電池尚未應用于新能源汽車，也許這一天并不會遠。鈉離子電池是一項顛覆性創新技術，2020年，中科海納開發的鈉電池能量密度接近150 Wh/kg，循環壽命高達4500次，高低溫特性、快沖特性、安全特性處于國際領先水平。今年7月29日寧德時代在線上發布會上介紹了第一代鈉離子電池，其單體能量密度可達160 Wh/kg，15 min充電80%，并且能在零下20 ℃保持90%放電率，并宣布2023年將形成鈉電池產業鏈。固態電池和鈉離子電池發展迅猛，二者商業化指日可待。

社會發展科技進步、電池技術迭代突飛猛進，高鎳化目前主要方向、下階段無鈷高鋰高壓更能適應市場對比能的需求、后期無鋰正極是革命性的創新與顛覆性突破。動力電池回收需要緊跟市場發展潮流、對市場提前研判、對新技術提前布局，同時需要兼具高效性、環保性、經濟性。

3 結 語

動力電池回收市場逐年遞增，隨著各大企業紛紛入局，想要在其中取得更大的市場分額，就需要強勁的技術力量支撐。目前，我國廢舊動力電池回收處于起步期，回收技術仍一些不足?，F階段主要以物理預處理+化學濕法回收+溶劑萃取工藝回收有價金屬，該工藝流程冗長、回收過程中不可避免的產生新“三廢”，回收后金屬組分中雜質分離不純影響后端產品質量，仍需要不斷的改良與創新。新能源動力電池技術更新迭代快，固態電池、鈉離子電池呼之欲出。新能源是時代發展的方向、動力電池回收行業蓬勃發展，回收工藝技術定能不斷突破、不斷革新，構建更加完善的資源循環體系。