動力電池回收體系的外包裝功能設計與藝術設計的融合
——評《動力電池梯次利用與回收技術》

王 聰

( 永城職業學院，河南 商丘 476600 )

隨著新能源汽車保有量的迅速攀升，退役動力電池的數量不斷增加。在現有政策和節能減排大背景下，預計到2030年，退役動力電池將呈爆發式增長。對退役動力電池進行回收，不僅能實現資源再利用，而且符合當下倡導綠色低碳理念的背景。開展動力電池梯次利用與回收技術，對行業可持續發展具有重要的意義。

有鑒于此，李麗等主編的《動力電池梯次利用與回收技術》一書進行了退役動力電池的回收和再利用研究，該書包含8個章節：第1章分析了新能源汽車及動力電池產業的現狀與前景；第2～6章依次介紹了退役動力電池梯次利用與安全評估技術、梯次利用顛覆性技術、電池組與單體預處理技術、動力電池回收處理技術；第7～8章分析了資源化綜合利用實例及全生命周期評價，并就本領域所面臨的機遇、挑戰與發展趨勢進行了總結和展望。

1 新能源汽車及動力電池產業現狀與前景

在新能源汽車領域，中國擁有全球最大的消費市場和銷售額。2016-2020年，我國政府出臺的一系列對新能源汽車市場的扶持政策，極大地推動了動力電池行業的擴張，五年間年復合增長率達到了24.3%。截至2020年，我國動力電池終端消費需求占比達到了44.1%。雖然新能源購車補貼將于2022年年底結束，但政府對于新能源汽車生態鏈的支持，使得新能源市場在宏觀層面仍持續向好發展，因此，我國動力電池需求仍將保持高速增長。

退役動力電池數量隨著動力電池需求的增長而快速增長。據統計，我國動力電池退役量在2020年已累計約20×104t，預計到2025年，累計退役量將接近80×104t。動力鋰離子電池能量消耗大，使用壽命短，使得報廢量激增，對環境造成嚴重污染，同時廢舊動力鋰離子電池中含有大量的銅、鋁、石墨等資源，不進行有效回收，會造成資源浪費。對廢舊動力鋰離子電池開展回收利用，迫在眉睫。

退役動力電池遵循先梯次利用、后再生利用的原則，旨在降低綜合能耗、提高能源利用率。從產業鏈的上下游環節看，動力電池的生產企業應在源頭上做好產品結構設計，最大限度地考慮后續的梯次利用效果，而梯次利用與回收企業則要重點把關梯次產品的質量，同時系統考量報廢后的統一回收問題。整個動力電池回收體系，可以通過整合上下游產業鏈信息，為動力電池的高效梯次利用創造更加便捷的條件，其中，動力電池的外包裝科學設計，可以助力行業的健康和高效發展。

2 動力電池梯次利用技術

一般情況下，當動力電池的剩余容量衰減至額定容量的80%以下時，會進行退役處理。可以梯次利用的剩余容量范圍通常為60%～80%，主要用于儲能系統、備用電源等。當剩余容量低于60%時，無法滿足梯次利用要求，會對電池進行拆解回收和再生處理，從而實現資源最大化利用。

研究結果表明，退役動力鋰離子電池可利用率達到60%，梯次利用價值巨大。退役動力電池的梯次利用回收包括以下步驟：①電池回收；②電池組拆解獲得電池單體；③檢測并分類篩選出可使用的電池單體；④電池單體配對重組成電池組；⑤系統集成與運行維護。

按正極材料的不同，動力鋰離子電池主要有磷酸鐵鋰和三元材料兩大主流技術路線，早期以磷酸鐵鋰鋰離子電池為主，隨著消費者對續航里程需求的重視，能量密度更高的三元材料鋰離子電池市場占有率迅速提高，2020年一季度甚至達到76%的占比。從我國動力電池發展路線來看，2023年之前，退役電池主要以磷酸鐵鋰鋰離子電池為主；2023年之后，將逐漸轉變為以三元材料鋰離子電池為主。由于動力電池往往來自不同的車輛，不僅結構、性能不同，使用壽命也有很大差異，因此，當前動力電池梯次利用時，電池組的一致性較難控制。這是全世界范圍內的一個技術難題，目前尚沒有高效、徹底和經濟的解決方法，使得梯次利用電池組的運行安全性遠低于原電池組，且梯次利用的安全、循環壽命和再利用價值無法得到保證，電池組梯次利用在具體應用層面和市場反應遠不及預期。

綜合來看，動力電池梯次利用在未來發展中，還需繼續加強余能檢測、殘值評估、重組利用和安全管理等技術的研發，同時建立退役電池健康狀態、剩余能量檢測標準，以便快速高效地對電池進行診斷。

3 動力電池回收處理技術

根據電池類型不同，動力電池的回收處理可分為鋰離子電池、鎳鎘電池、金屬氫化物/鎳電池和鉛酸電池等。鋰離子電池應用廣泛，在動力電池回收中占比最大，退役鋰離子電池經過資源化回收處理，鎳、鈷、錳等金屬元素的回收率可以達到95%以上。廢舊動力鋰離子電池的資源化回收主要集中在正極材料中的有價金屬提取，主要過程為：①徹底放電；②拆解分離出正負極、電解液和隔膜等組成部分；③對正極材料進行堿浸出、酸浸出、除雜；④提取富集有價金屬。

對廢舊鋰離子電池的回收利用處理，包含拆解和分類回收兩大方向。鋰離子電池需在徹底完成放電后再進行拆解，拆解的目的是將廢舊電池中的銅、鐵、鋁、塑料以及正負極材料分離，以便綜合利用，同時也要考慮隔膜及電解液的無害處理。現有技術是將銅、鐵、鋁經過簡單的機械粉碎后，磁選去除鐵，利用篩分將大部分的銅、鋁和正負極材料分開，達到粗分選產品的目的。接著，進行金屬提取，按提取工藝可分為濕法、干法及生物回收。濕法工藝較復雜，包括浸出、萃取、沉淀等方式，但對有價金屬回收率高，獲得的物料相比熱處理方法更干凈，且可定向回收成品，對環境污染小，同時生產過程更容易實現自動化和連續化，是目前的主流回收工藝；干法工藝是通過高溫爐將鋰離子電池材料進行高溫還原冶煉，從而提取金屬或化合物，但由于能耗較高，且易造成二次污染，一般在金屬回收初步階段應用；生物法工藝具有較多優點，如成本較低、分離效果好、回收效率高、污染小等，但生物群落培養過程較繁瑣，目前仍處于開發研究階段，盡管是電池回收發展的理想方向，但依靠當前的技術難以實現工業化，目前仍無商業化應用的案例。

4 利用實例及全生命周期評價中的設計應用

當前，我國迫切需要打造動力電池“生產-銷售-使用-再利用”的閉環產業鏈。目前國內在動力電池資源化回收應用領域的龍頭企業主要是格林美和邦普循環。格林美作為行業領先企業，構建了從回收、梯次利用到再生利用的新能源全生命周期價值鏈。邦普循環則打造了上下游優勢互補的全產業鏈循環體系，自主研發的動力電池全自動回收技術及裝備，為全球近20家整車企業提供動力電池和電動汽車整車回收服務。

從電動汽車的全生命周期來看，除了充電環節，動力電池在生產和回收環節也存在能耗和環境影響問題，因此，采用生命周期評價(LCA)對動力電池進行分析，具有積極的現實意義。要降低電動汽車的整個生命周期能耗值和礦產資源耗竭潛值，還需從以下幾個方面努力：①報廢回收階段是對原材料進行回收再生的過程，直接減少了動力電池全生命周期的礦產資源消耗，加強回收工作，意義重大；②改進動力電池回收工藝，提高金屬再生效率；③改進動力電池回收工藝，提高回收企業的投入產出比；④提高動力電池比能量，減輕質量，從源頭減少原料開采和獲取；⑤挖掘成本低廉、資源廣泛易得的電池材料，降低原料獲得難度。

實現梯次利用，需要對動力電池的全生命周期進行系統管理、數據搜集、技術整合、方案評估等。一方面，梯次利用企業應充分協同上游的生產企業，對動力電池從生產、使用到回收進行全過程監控，做好溯源管理；另一方面，梯次利用企業可優化新電池的產品和性能設計，通過設計解決可持續問題，深入分析產業鏈上下游的需求，將外包裝的功能設計與藝術設計有機結合，為動力電池系統的可持續發展服務。動力電池外包裝設計中的功能訴求主要是保護電池和便于運輸，如具有防水性、使用防漏層包裝以防止漏液等；外觀訴求主要是美觀和品牌展示。同時，在滿足功能設計和藝術設計的基礎上，要考慮融合綠色設計的理念，即要考慮后端材料的可回收價值，使包裝材料得到最大化回收利用，并最小化對自然環境的污染。動力電池的外包裝設計在服務整個回收體系和全生命周期中可發揮的空間還很大，有待繼續深入研究。

5 結語

動力電池梯次利用與回收技術在當前科技發展中具有十分重要的地位，在支撐社會可持續發展和環境技術領域備受關注。進行退役動力電池的回收與再利用研究，在我國具有緊迫性和必要性，具有鮮明的需求導向、問題導向和目標導向。《動力電池梯次利用與回收技術》一書題材新穎實用，內容豐富，深入淺出，文字通俗易懂，具有較高的實用價值。本書可供從事電動汽車動力電池梯次利用、拆解回收利用的工程技術人員及管理人員閱讀，也可供從事電動汽車動力電池梯次利用、回收利用培訓及高等院校、職業技術學院相關專業的師生參考。