中國鋰動力電池產業鏈污染調查評估及風險管控

李 媛 時進鋼# 陳 楠 張明博 Paul P.J. Gaffney

(1.生態環境部環境發展中心,北京 100029;2.中國科學院地理科學與資源研究所,北京 100101)

我國新能源汽車發展趨勢強勁,帶動鋰動力電池產量同比翻倍,我國現已成為全球最大的新能源汽車消費國與鋰動力電池生產國。在“雙碳”(碳達峰、碳中和)目標指引下,我國新能源汽車產業進入規?；?、高質量、快速發展的新階段[1]。2020年我國新能源汽車銷售總量為136.7萬輛[2],占全球新能源汽車銷量(331.1萬輛)的41%;2021年我國新能源汽車銷量352.1萬輛,占全球(670萬輛)的53%[3]。鋰動力電池作為新能源汽車的核心部件,發展勢頭迅猛,2021年我國鋰動力電池產量219.7 GW·h,較2020年(83.4 GW·h)增長163%。受鋰動力電池產業的帶動,2020年我國鋰消費量2.29×105t(碳酸鋰當量),并保持高速增長(年均增速24%),是全球最大的鋰消費國與鋰鹽材料生產國[4]。

鋰動力電池作為交通領域減污降碳的重要載體,鋰動力電池相關政策、技術開發及產業影響等方面問題受到學者廣泛關注與研究。政策層面,郭揚[5]分析了世界視域下新能源替代化石能源的經濟、社會、政治三維驅動效應,郭本海等[6]總結了現有新能源汽車的政策措施,并實證分析政策措施耦合協調度對新能源汽車產業創新績效的影響。技術開發層面,張丹寧等[7]對新發展格局下我國新能源鋰動力電池產業鏈現代化水平與提升路徑進行研究,陳立泉[8]、黃學杰等[9]、涂康安[10]研究了我國鋰動力電池及其關鍵材料研發技術狀況,并提出日后產業發展的技術目標。產業影響層面,陳軼嵩等[11]與金莉娜等[12]針對新能源汽車相對傳統燃料汽車更“綠色”的屬性,開展全生命周期環境影響與經濟效益分析,吳錦澤等[13]研究了廣東新能源汽車產業政策的環境風險,發現現有政策對能源生產端、鋰動力電池回收端污染管控較弱,需加強全生命周期的環境風險防控;部分學者對鋰動力電池涉及產業現狀發展情況與生產技術及環境影響開展研究[14-16],邢佳韻等[17]梳理了鋰資源產業發展基本狀況,提出鋰產業高質量發展的建議;蔣京呈等[18]篩查了鋰動力電池的有毒有害物質,王藝博等[19]對鋰動力電池回收處理過程的環境風險予以研究。從已有文獻看,側重于鋰動力電池全產業鏈的生態環境影響研究仍有不足。

鋰動力電池及其相關產業快速發展的同時,也面臨著生態壓力、環境污染等挑戰。受長沙比亞迪工廠“排污門”事件、歐盟“考慮將鋰列為有害物質”等新風向影響,更多公眾開始關注鋰動力電池全產業鏈條的環境問題。本研究聚焦鋰動力電池全產業鏈,基于我國鋰動力電池全產業鏈建設項目的環境影響評價審批情況,探究我國鋰動力電池上、中、下游產業的發展現狀;針對主要生產過程,開展全產業鏈環境污染特征分析,剖析我國現階段鋰動力電池高速發展與資源環境保護的主要矛盾;并提出針對性的環境管理建議。

1 我國鋰動力電池全產業鏈調查評估

1.1 鋰動力電池產業鏈概況

鋰動力電池全產業鏈可總結歸納為上游鋰資源開發利用與鋰鹽生產、中游鋰動力電池原材料生產與鋰動力電池制造、下游鋰動力電池的回收與利用3大部分[20]。上游鋰資源有固態和液態兩種形式,固態鋰輝礦石經破碎、浮選等處理,得到鋰精礦石,鋰精礦石采用硫酸法、硫酸鹽法、石灰石焙燒法等方法處理,得到碳酸鋰、氫氧化鋰、氯化鋰等鋰鹽產品。液態鋰主要存在于鹽湖鹵水、海水、油田鹵水中,主要利用溶劑萃取法、沉淀法、離子交換吸附法等鹵水提鋰方法得到碳酸鋰、氯化鋰等鋰鹽產品。上游生產的鋰鹽產品輔以石墨、聚乙烯、聚丙烯等其他原料,用于中游鋰動力電池正、負極材料及隔膜、電解液等的生產,經組裝及封裝后得到鋰動力電池。當鋰動力電池容量衰減到80%時需進行回收處理,包括梯次利用與拆解回收兩種方式:梯次利用將狀態較好的鋰動力電池模塊、單體重新利用于儲能、備用電源燈等對電池性能要求較低的場景;拆解回收將鋰動力電池進行放電和拆解后,提煉鎳、鈷、錳、銅、鋁、鋰等原材料,實現鋰動力電池材料資源的循環利用。

1.2 我國鋰動力電池全產業鏈建設項目現狀

查詢中國環境影響評價監管數據庫平臺可知,截至2021年,全國鋰動力電池產業建設項目環境影響評價批復共503項,按照《建設項目環境影響評價分類管理名錄》,我國鋰動力電池產業鏈建設項目可歸納為4類,具體如表1所示。批復項目與新增污染物批復量主要集中于鋰動力電池原材料生產與鋰動力電池制造環節,占比超過70%,主要新增污染物為氮氧化物。

表1 鋰動力電池產業涉及項目匯總表

2 存在的問題分析

2.1 上游鋰資源多依賴進口,擴產或面臨較大生態環境風險,以碳酸鋰為主的鋰鹽生產結構或影響區域環境空氣質量

我國鋰資源儲量較為豐富,存在形式以鹽湖鋰為主(占比85%),主要集中于青海、西藏、四川、江西等地。我國鹽湖鋰因具有較高的鎂鋰比,開采難度較大;礦石鋰受資源品質、區位條件、提鋰技術等因素制約,總體開采程度較低;利用我國鋰資源進行鋰鹽生產的占比為30%,其余70%依賴于進口鋰輝礦石[21-22]。目前青海、江西部分地區鋰開采已初具規模,未來主要開采潛力集中在青藏高原、青海柴達木盆地等生態功能脆弱地區,一旦無序開采,或將造成不可逆轉的生態環境影響。

我國鋰鹽生產以碳酸鋰為主。2021年我國碳酸鋰產量為48萬t(礦石鋰41萬t、鹽湖鋰7萬t),是全球碳酸鋰增量的主要來源。我國碳酸鋰生產主要采用“硫酸法礦石提鋰”工藝,即鋰輝礦石經轉化焙燒,高溫使其結構由致密變為疏松,再經粉磨后與過量硫酸混合,在回轉爐中酸化焙燒溶解,水浸后得到粗硫酸鋰溶液,經過濾洗滌、凈化、濃縮等處理后獲得碳酸鋰產品,如圖1所示。其中,鋰輝礦石高溫轉化焙燒工序產生大量煙氣,為典型的大氣污染項目,或影響區域環境空氣質量,礦石鋰生產的碳酸鋰產品被列為《環境保護綜合名錄(2021年版)》的高污染產品。按我國碳酸鋰生產建設項目環境影響評價信息統計,電池級碳酸鋰生產過程中煙氣排放量為3.358萬～11.70萬Nm3/t,排放量主要受鋰輝礦石精礦品位與企業清潔生產水平影響。

圖1 硫酸法生產碳酸鋰產污示意圖

2.2 中游鋰動力電池原材料生產與鋰動力電池制造項目數量增長迅速,生產過程涉及多種重金屬與有機化合物,存在環境風險

《新能源汽車產業發展規劃(2021—2035年)》明確提出,2025年我國新能源汽車銷量將達銷售總量的20%。以2020年我國汽車銷售量(2 531萬輛)保守估計,2025年我國新能源汽車銷量將超過500萬輛。在新能源汽車產業布局、補貼支持、技術標準和市場推廣等政策標準的協同推動下,鋰動力電池原材料生產與鋰動力電池制造項目數量增長迅速。對我國新能源汽車鋰動力電池制造相關項目調研發現,2016年全國鋰動力電池原材料生產及鋰動力電池制造環境影響評價批復項目7項,2017年新批復項目43項,2019年新增批復項目數量高達101項,整體呈現數量增長較快、地域分布廣、新增污染物批復量增高的特點。

鋰動力電池原材料包括正極材料(鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、三元體系鎳鈷鋁等)、負極材料(石墨、硅碳復合材料等)、電解質(六氟磷酸鋰、四氟硼酸鋰)、高純度有機溶劑及添加劑等[23]。在針對全國鋰動力電池建設項目環境影響評價的調研中發現,鋰動力電池原材料制造環節存在排污許可證降級管理現象。鈷酸鋰、三元正極材料的生產屬于無機鹽制造,按《固定污染源排污許可分類管理名錄(2019年版)》為“重點管理”,但一些地方卻歸為“簡化管理”,存在環境風險。

電池制造流程主要包括極板工程、組裝工程、化成工程,如圖2所示。其中,極板工程是產污較多的環節,攪拌制漿與涂布烘干工序產生非甲烷總烴氮甲基吡咯烷酮有組織廢氣。此外,極板工程產生廢正負極片與組裝工程的邊角料等固體廢物,電池組裝過程會產生電解液,具有易燃性,且電解液通常具有毒性與致癌性,屬于危險廢物。

圖2 鋰動力電池制造產污示意圖

2.3 下游鋰動力電池回收體系持續完善,回收利用現狀不容樂觀,潛在的環境安全隱患亟待解決

在新能源汽車鋰動力電池回收政策與標準等的推動下,我國新能源汽車動力回收體系建設正逐步完善,如圖3所示。2021年12月,《新能源汽車廢舊動力蓄電池綜合利用行業規范條件》發布第三批合規企業名單(47家),截至2022年,全國已建成鋰動力電池梯次利用和再生利用企業共74家[24-26]。

圖3 我國鋰動力電池回收利用體系政策

鋰動力電池的回收利用流程主要包括拆解、焙燒(破碎、分選)、材料回收,如圖4所示。廢氣主要為焙燒、破碎、分選過程產生的二氧化硫、顆粒物、氟化氫、非甲烷總烴、鎳及其化合物、鈷及其化合物、二噁英;廢水中含有重金屬、氟化物等污染物,主要產生于材料回收階段濕法浸出過程;固體廢物主要為拆解過程產生的乙二醇廢冷卻液和塑料連接件、電路板等拆解產物。

圖4 鋰動力電池回收利用產污示意圖

現場調研發現,鋰動力電池回收企業普遍反映回收鋰動力電池渠道不暢,由于正規企業鋰動力電池運輸、拆解成本高等原因,無成本優勢,多數廢舊鋰動力電池流入了“小作坊”。廢舊鋰動力電池含有大量重金屬及氟、粉塵、酸堿等物質,未經妥善處置的廢舊鋰動力電池將威脅公共安全,并可能造成環境污染:正極材料中鎳、鈷等重金屬與酸堿溶液將造成土壤、水體污染;電解液溶質六氟磷酸鋰屬于有毒物質且易潮解,會與空氣中的水反應產生劇毒的氟化氫,造成大氣污染,溶劑則會造成水污染。

3 結論與建議

3.1 我國鋰動力電池產業發展面臨的環境風險

(1) 上游鋰資源多分布于生態環境脆弱區,擴產面臨較大的生態環境風險,以初級產品碳酸鋰為主的鋰鹽生產結構或影響區域環境空氣質量。

(2) 中游鋰動力電池原材料生產與鋰動力電池制造項目數量增長迅速,生產過程涉及多種重金屬與有機化合物,存在環境風險。

(3) 下游基于“生產者延伸制度”的回收體系持續完善,但鋰動力電池回收渠道仍有不暢,多數廢舊鋰動力電池流入了“小作坊”,潛在的環境安全隱患亟待解決。

3.2 環境管理建議

(1) 以“三線一單”、規劃環境影響評價為抓手,加強上游鋰資源開采與加工環境影響評價準入管理。嚴格落實“三線一單”管控要求,從項目選址、污染物排放強度、污染防治設施水平、防護距離等方面精準細化項目環境準入條件,強化經濟相對落后的資源稟賦地區環境影響評價準入管理。優化產業布局與資源配置,引導生產企業布局園區化、生產規?；?、管理集中化,實現資源開發與環境保護協同發展。

(2) 強化中游鋰動力電池生產企業排污許可情況監督。加強對鋰動力電池生產類型項目排污許可證核發監管,加強排污許可事中事后監管,強化對鋰鹽生產、鋰動力電池制造等典型行業的排污許可執行情況監督,督促生產企業嚴防污染。建立鋰動力電池環境分級管理體系,引導高污染環節產業技術升級。調研發現部分碳酸鋰生產企業已完成技術改造,工藝達到清潔生產標準,建議以污染物排放量為標準,實行環境分級管理,區別對待污染控制技術進步與落后的生產企業,用環境管理政策倒逼企業技術進步。

(3) 進一步明確下游鋰動力電池回收企業環境主體責任。根據《生產者責任延伸制度推行方案》,新能源汽車生產企業負有回收鋰動力電池的主體責任。建議研究出臺鋰動力電池回收的環境主體責任政策文件,研究考核獎懲機制,增強企業在回收過程的自發能動性;加強環境主體責任追究,嚴格查處不合規企業;鼓勵企業運用互聯網、物聯網、大數據和云計算等現代信息技術,構建鋰動力電池線上線下追溯系統,實現回收體系管控的高效化與便捷化。