動力電池綠色回收與資源高值化：變火山廢山為礦山金山

隨著新能源電動車行業(yè)的飛速發(fā)展，全球對鋰電池的需求呈現(xiàn)大幅度增長。據(jù)預測，到2030 年, 全球退役鋰離子電池將達到1100 萬噸以上，中國的退役鋰電池數(shù)量也將達到每年萬噸甚至十萬噸量級。

“鋰電池的正極材料中含有鋰、鈷等貴金屬， 這些稀缺資源必須倍加珍惜，循環(huán)利用”，中國科學院院士費維揚曾對《高科技與產(chǎn)業(yè)化》記者指出，“而且，只生產(chǎn)不回收，既不符合可持續(xù)發(fā)展的規(guī)律，還會進一步對自然環(huán)境產(chǎn)生威脅。我們應當加強先進動力電池的回收技術研發(fā)，讓退役鋰電池‘好來好去’”。

與此同時，隨著我國動力電池回收門檻的逐漸提高，產(chǎn)業(yè)鏈融合將是未來發(fā)展趨勢。但目前該行業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈仍然缺乏具體有效、可囊括所有環(huán)節(jié)的一攬子解決方案，產(chǎn)業(yè)鏈壁壘林立，難以實現(xiàn)資源高值化。中國電池聯(lián)盟高級顧問、綜合部主任楊清雨也對記者表示為，“整個產(chǎn)業(yè)鏈包括所有電池應用端、回收渠道、網(wǎng)絡、梯次利用、預處理、材料再利用等多個環(huán)節(jié)，在這個過程中不可避免地會出現(xiàn)技術壁壘、數(shù)據(jù)壁壘以及物流壁壘，亟待加強上下游合作?！?/p>

深圳清華大學研究院新能源與環(huán)保技術研究所所長、教授陳建軍在“第二屆中國高科技產(chǎn)業(yè)化高峰會議”上，就上述廢舊鋰電池的綠色回收與資源高值化問題接受本刊采訪，并介紹了技術團隊最新突破性進展。

一面是潛伏危險“火山” 一面是城市礦山

目前市面上的動力鋰電池主要分為三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池。磷酸鐵鋰固有特性是一致性差，存在著低電壓、低容量、低壓實等“三低缺陷”，且容易自放電， 已逐漸被三元鋰電池所部分取代；動力三元鋰電池是目前主流的電動車電池，其能量密度高，但同時危險性也高?！叭埠描F鋰也好，都有危險，全國各地也發(fā)生過多起因燃燒或撞擊而爆炸的事件。廢舊電池回收破碎處理過程中，廢舊電電池一樣會起火燃燒爆炸?！?陳建軍說，“廢舊動力電池是城市快速發(fā)展的產(chǎn)物，如果能做到安全破碎，回收過程做到綠色規(guī)范處理，就不會給環(huán)境造成新的壓力，而且有價組分的品位和價值會非常高，因此我們把它叫做‘城市礦山’，所以非常有必要做好綠色回收與資源高值化利用?！?/p>

鋰電回收市場空間巨大。據(jù)權威機構統(tǒng)計預測，預計到2023 年，動力電池回收退役規(guī)模將達到48GWh，年復合增長率為57%。陳建軍認為：“只要處理得當，沒有垃圾與廢物排放，可完全實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈閉環(huán)?！?/p>

數(shù)據(jù)顯示，2016 年前新能源汽車電池主要以磷酸鐵鋰電池為主，從2014 年開始動力三元鋰電池逐漸占主流，回收占比也開始增加。目前，國內(nèi)動力磷酸鐵鋰電池回收企業(yè)正重點關注濕法冶煉技術，注重提高能源鋰金屬的回收率，廢舊磷酸鐵鋰電池回收碳酸鋰可通過酸溶氧化正極材料，再通過碳酸鹽沉淀的方式制備，可將原有不足60% 的鋰回收率提高到92% 以上，其它成分主要采用堆放方式棄之尾庫存放， 迄今為止，國內(nèi)外現(xiàn)在尚無企業(yè)實現(xiàn)真正的全組分回收利用。三元鋰電池回收主要采用強酸浸取其能源金屬鎳、鈷有價金屬，再通過萃取方式回收制備硫酸鎳鈷鹽或鎳、鈷氫氧化物，采用碳酸鹽沉淀鋰，鋰金屬回收率80% 左右。

有業(yè)內(nèi)人士指出，動力三元鋰電池回收產(chǎn)業(yè)鏈向下延伸將獲得更多收益。數(shù)據(jù)顯示，通過回收材料內(nèi)部成本結構法分析發(fā)現(xiàn)，前驅體和正極材料生產(chǎn)中原材料成本占比達80% 以上。如果產(chǎn)業(yè)縱向延伸將帶動毛利率提升，三元電池回收向產(chǎn)業(yè)鏈下游延伸則可將毛利率從10%~20% 提高到30%~40%，使企業(yè)獲得更多收益。

綠色回收工藝解決傳統(tǒng)回收工藝痛點

目前市場上常見的廢舊鋰電池回收方案主要有三種：一是火法冶金，“不管什么電池、什么型號，都可以丟進爐子里熔融焙燒。金屬外殼鋼、銅、鋁全部融在一塊，有機電解液和石墨都會燃燒?；鸱ㄒ睙挼膬?yōu)點是什么電池都可以，兼容性強；缺點是能耗較高、尾氣污染大、金屬分離難度大。”二是直接回收，“這個處理過程相對簡單，污染少，但對風險程度要求非常高，產(chǎn)品的均一性較低，品質(zhì)很難把控制。”三是濕法冶金，“把鎳、鈷、錳全部用酸溶解，最后把鎳、鈷等成分萃取出來，做成硫酸鎳鈷等，又能回收成為電池材料或化工原料。濕法冶金需要有較大場地，且產(chǎn)生的廢水量相當大，環(huán)保壓力很大，治理成本費用高?！标惤ㄜ娊榻B道。

為解決傳統(tǒng)電池回收工藝痛點，實現(xiàn)鋰電池安全化、無害化處理，深圳清華大學研究院新能源與環(huán)保技術所研發(fā)團隊研發(fā)了一項綠色回收工藝。與傳統(tǒng)回收工藝相比，其一方面流程短、成本低，“主要是創(chuàng)新了除雜工藝，提高了除雜效率，優(yōu)選堿浸、酸浸工藝大幅降低了酸堿用量”，另一方面“三廢”少、更環(huán)保，“廢氣少、易處理；廢固少，石墨負極廢料、鋁、銅、鋼殼等殘渣都實現(xiàn)綠色回收；幾乎不排放廢水?！标惤ㄜ娊忉尩溃拔覀儗κщ姵叵冗M行安全放電，再實施物理安全破碎。破碎后經(jīng)過磁選、重選等多項分離工藝，譬如破碎后可從中分離出鋼殼、銅箔、鋁箔、隔膜以及黑粉（正負極混在一起的黑色粉末）， 這個技術已經(jīng)很成熟，分離得很干凈。”據(jù)介紹，這項綠色回收工藝回收的動力磷酸鐵鋰電池，可實現(xiàn)毛利率100% 以上，三元鋰電池回收可實現(xiàn)毛利率78% 以上，實現(xiàn)了“變廢為寶，廢物變?yōu)榱私鹕姐y山”。“比如其中的鋰100% 回收直接變?yōu)榱烁咂焚|(zhì)納米磷酸鐵鋰正極材料，水幾乎可以100% 回用。無廢酸排放， 這是這項工藝最大的特點，經(jīng)國內(nèi)外科技情報文獻檢索，屬于國內(nèi)外首創(chuàng)。”陳建軍進一步補充道。

據(jù)了解，該團隊目前近30 人，一直從事新能源、新材料、綠色環(huán)保等技術研發(fā)，在電池綠色合成、綠色回收、循環(huán)利用、資源高值化等方面積累了一系列相關技術和產(chǎn)品，與企業(yè)展開了多個合作項目，共同開發(fā)綠色新產(chǎn)品、綠色新工藝。目前，技術團隊組已完成了22 項綠色回收工藝等相關國家、行業(yè)以及團體標準的制訂與編寫，申請了20 多項國家發(fā)明專利。

上下游共同持股 打造閉環(huán)盈利模式

我國動力電池回收產(chǎn)業(yè)鏈包括所有的電池應用端、回收渠道、網(wǎng)絡、梯次利用、預處理、材料再利用等多個環(huán)節(jié)，技術、數(shù)據(jù)、物流等壁壘重重，整個電池回收行業(yè)亟需加強上下游合作；與此同時，磷酸鐵鋰電池回收成本受材料價格波動影響較大，其回收成本中原材料成本約占26%。業(yè)界普遍認為，廢舊磷酸鐵鋰電池的回收成本高于其回收收益，三元材料則有較大盈利空間，提高鋰金屬回收率將能提高回收收入。

據(jù)中國電池聯(lián)盟發(fā)布的《動力電池回收行業(yè)報告》統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，從成本結構上分析，原材料成本占全部生產(chǎn)成本的80.52%，是成本的主要影響因素；改善回收技術及工藝提高鋰金屬回收率可提高毛利率， 未來若三元電池的鋰金屬回收率提高至90%，回收毛利率將提高至24%。該報告還對鋰電池的梯次利用和回收進行了經(jīng)濟性測算。儲能梯次利用盈利則受循環(huán)次數(shù)及峰谷差價等因素影響，從梯次利用電池循環(huán)壽命因素來看，當循環(huán)壽命大于2000 次時，儲能系統(tǒng)能夠回收成本；從峰谷差價因素來看，當差價在0.7 元/kWh 以上時，顯著縮短回報周期。

“對于磷酸鐵鋰電池，我們的辦法是不單獨提取， 單獨提取出來肯定不賺錢。我們直接把其中的鋰做成產(chǎn)品，讓鋰沒有損耗，形成綜合回收；對于三元鋰電池，我們用簡單的兩三步變出正極材料、三元材料、氫氧化鋁，工藝非常短，基本沒有排放”，陳建軍介紹， “目前正極材料的報廢量大概是20.3 千瓦時，市場空間今年是66 個億，明年大概會到200 多億，到2024 年2025 年大概有800 多億至1000 個億的市場，市場空間非常大?！睋?jù)了解，前期該綠色回收工藝已分離出多種產(chǎn)品，市場廣闊；再生三元前驅體和磷酸鐵鋰附加值高，實現(xiàn)了資源高值化。

“鋰電池回收上下游密不可分。電池來源于電池生產(chǎn)企業(yè)，電池生產(chǎn)企業(yè)的材料來源于材料生產(chǎn)企業(yè)。我們在回收這個環(huán)節(jié)，處理得好的產(chǎn)品可以回到電池生產(chǎn)企業(yè)去，也就是回到材料生產(chǎn)企業(yè)，如此可實現(xiàn)形成一個閉環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈?！标惤ㄜ娺M一步介紹道，“同時， 我們正在著力打造一個上下游共同持股經(jīng)營模式。目前上游公司，具有國家工信部和商務部頒發(fā)整車拆解資質(zhì)，也是國家發(fā)改委認定的電池回收循環(huán)經(jīng)濟利用唯一示范基地；下游企業(yè)則是目前全球石墨負極最大供應商和中國排名前二的磷酸鐵鋰電池正極材料供應商。我們的目的是打造一個上下游共同持股的閉環(huán)盈利模式。”

據(jù)了解，該技術團隊組獲得了2019 年深圳寶安創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽新能源節(jié)能環(huán)保行業(yè)一等獎，2019 年中國深圳創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽新能源節(jié)能環(huán)保行業(yè)一等獎，預期5 年內(nèi)，完成投資5 億元，實現(xiàn)產(chǎn)值30 億元以上。該技術團隊已經(jīng)獲得授權批準，建立了廣東省鋰電池電極活性材料工程研究中心、廣東省能源轉化和儲存工程研究中心等創(chuàng)新平臺，獲得了具有對外檢測第三方認可，國際互認的國家實驗室能力認可的CNAS 實驗室。正如陳建軍所言，廢舊鋰電池綠色回收與資源高值化問題既有風險，也是機遇，“肩負歷史使命與社會責任， 把潛伏的火山廢山變?yōu)槌鞘械V山金山”。