廢舊動力電池如何實現(xiàn)“直接材料化”利用？聽聽專家怎么說

先看數(shù)據(jù):由數(shù)據(jù)看市場需求和技術(shù)發(fā)展要求

1)據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會發(fā)布消息,2017年新能源汽車產(chǎn)銷量分別達79.4萬輛、77.7萬輛,同比分別增長53.8%、53.3%,新能源汽車占總銷量的2.7%。

2)截至2017年底累計推廣新能源汽車180多萬輛,裝配動力蓄電池約86.9GWh,據(jù)工信部數(shù)據(jù),預計至2020年新能源汽車銷量達200萬輛,且純電動車占比達56%。

3)按照新能源乘用車動力電池使用年限5-6年,商用車2-3年計算,預計我國動力電池回收利用在2020年達到107億元左右,其中梯級利用市場約64億元,再生利用市場約43億元。

以上三點讓我們看到了動力電池回收和循環(huán)利用的巨大市場,但在技術(shù)層面也給發(fā)展提出了要求,《促進汽車動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動方案》提出,到2020年,新型鋰離子動力電池單體比能量超過300Wh/kg,系統(tǒng)比能量力爭達到260Wh/kg,成本降至1元/Wh以下,使用環(huán)境-30℃到55℃,至2025年,單體比能量達500 Wh/kg。

通過以上數(shù)據(jù),我們也能看出新能源汽車的發(fā)展帶動了整個鋰離子動力電池的發(fā)展,也帶來了動力電池梯次利用和再生利用的市場需求。中國電池工業(yè)協(xié)會理事長趙金生表示,目前行業(yè)存在投資過熱、關(guān)鍵技術(shù)缺乏自主創(chuàng)新、新能源汽車快速發(fā)展帶來的產(chǎn)能過剩及產(chǎn)業(yè)鏈無序發(fā)展、梯次利用安全性缺少保障、原材料價格上漲導致失去成本優(yōu)勢等一系列現(xiàn)實問題。

楊裕生院士更精準總結(jié)了一些亟待解決的問題,并呼吁政府主導、專家參與、協(xié)會組織等多方協(xié)調(diào)解決問題,動力鋰離子電池目前面臨的主要問題:

1)補貼過高造成電動汽車企業(yè)騙補,提高補貼門檻又造成以政府部門為龍頭的債務鏈,處于債務鏈末端的電池和電池材料企業(yè)苦不堪言;

2)產(chǎn)能過剩,導致鋰離子電池價格下降,利潤降低,通過電動汽車發(fā)展消耗產(chǎn)能需要時間;

3)鈷、鎳資源少,價格受制于人,難以支撐千萬輛電動車生產(chǎn)需求;

4)補貼與里程掛鉤,使得比能量比安全重要,三元電池由333/523至622/811,鎳含量增加使熱失控溫度降低,安全性降低;

5)車重、空調(diào)耗能,行駛里程縮短,充電樁費錢,電池壽命短于整車,第二套電池要用戶購買;

6)補貼停止后,行駛里程高的很難賣出去。這些問題反映出行業(yè)發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn),正如楊院士所說解決這些問題不是一朝一夕的事,需要政府、企業(yè)、公眾的多方協(xié)作。

國內(nèi)外電池回收技術(shù)比較

在電池回收技術(shù)方面,國外的Toxco、AEA Technology、Inmetco公司、SNAM公司、東芝的TERUME、住友金屬礦山公司均可以規(guī)模化回收鋰電池,其中Toxco公司能處理不同型號、不同化學性質(zhì)的鋰電池;國內(nèi)起步較晚,目前格林美、邦普(被寧德時代收購)和贛州豪鵬三家公司規(guī)?；厥针姵睾嫌嬚际袌龀?0%。在回收工藝上,Toxco采用濕法工藝先將廢鋰離子電池在-198℃液氮中低溫粉碎回收,Inmetco公司采用火法工藝在電弧爐內(nèi)高溫處理,德國普遍采用火法與濕法結(jié)合的工藝,通過“預處理-真空熱處理-機械處理-造塊-火法-濕法”的工藝流程在不同處理階段回收得到材料;國內(nèi)格林美、邦普普遍以濕法工藝為主,與火法工藝相結(jié)合進行回收。

預計至2020年,行業(yè)將實現(xiàn)拆解技術(shù)由人工到自動化,提高拆解效率,實現(xiàn)銅鋁分選效率達85%以上,鎳鈷錳回收率達98%以上,鋰資源回收率達60%以上,并突破石墨回收與資源化利用技術(shù)。

表中所列鋰電回收前4位的公司均未涉及大規(guī)模回收Li,Li回收研究處于起步階段,缺少機理的分析,工業(yè)案例少;Ni和Co的回收過程酸堿及還原劑消耗量大;對材料修復再生的研究較少。

高校研發(fā)為回收利用提供技術(shù)支撐

在梯次利用安全方面,楊裕生院士指出安全是梯次利用的首要問題:1)要在電池包設計-生產(chǎn)階段就考慮梯次利用問題,利用大數(shù)據(jù)建立可追溯的管理系統(tǒng),標明電極材料,便于分類利用;2)磷酸鐵鋰單體比能量140-180Wh/kg,壽命3000次以上,量大時單體0.8元/Wh,成組時1.0元/Wh,安全性高適合梯次利用,但再生利用時無利潤。

在正極材料回收利用技術(shù)上,蘭州大學的王大輝教授對傳統(tǒng)濕法冶金工藝進行改進,采用“低溫焙燒-水溶解-再制造”的短流程技術(shù)簡化了濕法工藝路線,降低了能耗,硫酸用量減少,不再使用H2O2,減少了酸污染,節(jié)約成本>5000元/噸。正極材料中的鋰元素一般是在第一步堿性環(huán)境下進行回收,溶液成分復雜,置換困難,因此鋰的回收效率往往低于鎳鈷錳,中科院過程所的孫峙研究員采用有機碳為還原劑,選擇性破壞正極廢料晶體結(jié)構(gòu),促使鋰元素游離,實現(xiàn)鋰的選擇性提取,提取率>95%。

電解液在電池中含量少,但對環(huán)境的危害最大,哈工大的戴長松教授指出在電解液受熱或粉碎過程中,存在有機溶劑PC、DEC蒸發(fā),還產(chǎn)生HF、有機磷酸鹽(OPs)、烷基氟類化物等有毒有害化合物的問題,戴教授對比了真空熱解法、有機溶劑萃取法、超臨界CO2萃取法的優(yōu)缺點,利用超臨界CO2萃取法,在體系中添加甲醇、乙醇等“夾帶劑”能顯著提高極性溶質(zhì)的萃取效率。

在回收工藝上,國內(nèi)普遍采用干法與濕法結(jié)合,北工大的席曉麗教授引進半自動化的拆解回收工藝,通過“拆解-焙燒-破碎-振動篩(正負極)”實現(xiàn)材料回收,過程中采用酸性浸出“配合-沉淀”法得到Fe、Mn、Cu金屬,采用電沉積法和吸附法實現(xiàn)Ni、Li回收,Co回收先用草酸進行沉淀,再進行結(jié)構(gòu)修復可得到性能可比擬原礦產(chǎn)品的再生產(chǎn)品;席老師研究的三元正極材料鎳鈷錳等有價金屬的浸出率達到99%以上,對鎳鈷正極材料酸浸除雜后共沉淀得到前驅(qū)體,再煅燒可得再生正極材料。

企業(yè)紛紛探索回收處理技術(shù),為產(chǎn)業(yè)發(fā)展鋪路

在電池梯次利用和拆解工藝中,一些企業(yè)瞄準了智能化的發(fā)展方向,通過智能化提高效率,降低成本和保證安全。中天鴻鋰在動力電池梯級利用上采用以租代售模式,廢舊鋰電池回收的梯次利用價值占70%,再生利用價值占30%,再生利用的價值集中在三元電池,磷酸鐵鋰電池再生利用價值較低;動力電池拆解難易程度與組件、材料、焊接工藝、電芯類型、灌膠工藝、模組串聯(lián)方式、底盤結(jié)構(gòu)等有關(guān),結(jié)構(gòu)、組成、工藝越復雜,拆解難度越大,對電池的損傷越大;中天鴻鋰采用自動化的拆解線配合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)拆解的智能化,提高了拆解效率。深圳乾泰同樣建立了智能化的拆解線,實現(xiàn)每年拆解5萬臺報廢新能源汽車、3萬噸退役電池、梯級利用生產(chǎn)2萬套儲能產(chǎn)品、分離1.5萬噸報廢電池。深圳雄韜引入大數(shù)據(jù)技術(shù),在產(chǎn)品、成本、產(chǎn)業(yè)鏈、潛在市場中進行應用。我國鈷資源缺乏,主要從剛果等國進口,鈷在三元材料中起到提高材料的循環(huán)和倍率性能以及穩(wěn)定材料層狀結(jié)構(gòu)的作用,華友鈷業(yè)作為鈷原料的供應商,其生產(chǎn)線從專業(yè)化、自動化往智能化方向發(fā)展,建立了智能工廠。

傳統(tǒng)濕法工藝存在回收率低(三元<50%,鐵鋰<30%),環(huán)境污染(焚燒或掩埋、酸堿浸洗),無法通過一、二線城市環(huán)評,長距離運輸成本高,磷酸鐵鋰、錳酸鋰中貴金屬含量不高,經(jīng)濟效益差等問題。為解決傳統(tǒng)濕法工藝的弊端,北京賽德美采用精準拆解+材料修復技術(shù),不僅回收三元電池,還可以處理磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鈦酸鋰等多種電池,回收具有良好經(jīng)濟性;賽德美的回收技術(shù)實現(xiàn)了全封閉、全自動、純物理拆解,不產(chǎn)生有害氣體,實現(xiàn)鋰電材料的全組分回收;可以通過最嚴格環(huán)評,方便各地建廠,降低處理成本和環(huán)保成本。此外,一些企業(yè)從自身實際考慮,提出進行退役電池篩選檢測的健康指數(shù)評估,在動力電池的設計生產(chǎn)、拆卸、包裝運輸、存儲、余能檢測、拆解、梯級利用、再生利用的階段制定相應標準體系,明確電池生產(chǎn)企業(yè)、汽車生產(chǎn)企業(yè)、報廢汽車回收拆解企業(yè)、梯次利用和再生利用企業(yè)的主要任務。

行業(yè)政策逐步完善,為回收利用保駕護航

在行業(yè)政策方面,存在如下問題:1)缺少動力蓄電池回收利用專項法律法規(guī);2)廢舊動力蓄電池回收體系暫未有效建立;3)政策標準體系亟待進一步完善;4)對動力蓄電池回收利用技術(shù)和裝備研發(fā)支持力度小;5)報廢汽車回收拆解企業(yè)亟待技術(shù)升級;6)對梯級利用行業(yè)缺少引導和規(guī)范。廢舊動力電池回收利用的成本包括運輸、包裝、倉儲、環(huán)保、拆解、測試、售后成本,其中運輸應遵循國家有關(guān)電池包裝運輸法規(guī)和標準要求,冶煉要遵循國家再生金屬標準及有色金屬冶煉企業(yè)安全生產(chǎn)標準等有關(guān)要求,拆解要保證環(huán)境友好和安全性。

在動力鋰電池回收利用政策上,工信部節(jié)能司發(fā)布《新能源汽車動力蓄電池回收利用溯源管理暫行規(guī)定》,規(guī)定指出,對動力蓄電池生產(chǎn)、銷售、使用、報廢、回收、利用等全過程進行信息采集,對各環(huán)節(jié)主體履行回收利用責任情況實施監(jiān)測。電池生產(chǎn)、梯次利用企業(yè)應按照《關(guān)于開通汽車動力蓄電池編碼備案系統(tǒng)的通知》(中機函〔2018〕73號)要求,進行廠商代碼申請和編碼規(guī)則備案,對本企業(yè)生產(chǎn)的動力蓄電池或梯次利用電池產(chǎn)品進行編碼標識。

以上總結(jié)了動力電池回收及循環(huán)利用中的問題及解決問題的思路,梯級或再生利用的核心問題是技術(shù)、環(huán)保和成本問題,要想抓住市場,落腳點還是在核心技術(shù)、標準、政策等關(guān)鍵性問題的突破,看得出,政府、上下游企業(yè)、行業(yè)協(xié)會分工協(xié)作,深入布局該產(chǎn)業(yè)。為解決這些問題需要不斷對行業(yè)進行深入研究,需要深入一線,挖掘?qū)嶋H需求,需要技術(shù)研究與產(chǎn)業(yè)化相結(jié)合,逐步找出解決問題的方案。