鋰電池回收行業(yè)市場巨大，歐洲有何大動(dòng)作?

鑒于運(yùn)輸業(yè)脫碳的緊迫性,電池是通往無碳道路運(yùn)輸體系的最佳途徑,也是支撐道路車輛向零排放過渡的關(guān)鍵技術(shù),將使該行業(yè)擺脫對化石燃料的依賴。隨著BEV在歐洲取代傳統(tǒng)汽車,未來幾年對電池和鋰、鎳、鈷等原材料的需求將不斷增長。

文︱立厷

圖︱網(wǎng)絡(luò)

3月中旬,歐盟委員會(huì)副主席Maros Sefcovic在布魯塞爾表示:“我們預(yù)計(jì),到2025年,在電池方面,我們將能夠滿足歐洲汽車制造商的所有需求?！边@表明,所有的歐洲汽車電池都將很快本地化,歐洲企業(yè)有能力供應(yīng)其電動(dòng)汽車(EV)制造商所需的全部鋰離子電池。

歐盟委員會(huì)還希望到2022年通過嚴(yán)格的新電池環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)(包括材料回收),阻止進(jìn)口破壞歐盟努力的更廉價(jià)、更不可持續(xù)的電池。

Sefcovic說:“我相信,歐洲的電池將是最環(huán)保、最可持續(xù)的產(chǎn)品,其性能將是世界上最好的?！?/p>

最近,歐洲環(huán)保組織Transport & Environment(T&E)的一份報(bào)告對歐洲電池和相關(guān)原材料供需進(jìn)行了預(yù)測,探討了電池回收利用如何減少對原材料的需求,并詳細(xì)分析了與目前基于石油的體系相比,電池出行體系在原材料需求、能源效率和成本方面的優(yōu)越性。

增加產(chǎn)量滿足市場更多需求

2017年,歐盟成立電池聯(lián)盟,旨在減少對從美國或亞洲進(jìn)口的電池及其他技術(shù)的依賴,同時(shí)實(shí)現(xiàn)2050年碳中和的綠色協(xié)議目標(biāo)。

如Sefcovic所說:“屆時(shí),我們預(yù)計(jì)歐洲的超級電池工廠將生產(chǎn)700至800萬塊電池,比目前電動(dòng)汽車制造商計(jì)劃需要的還要多?！睋?jù)介紹,歐盟已在12個(gè)成員國的70個(gè)項(xiàng)目中投資了200億歐元(240億美元),以確保電池的自主性,包括開發(fā)鋰、鎳和石墨等關(guān)鍵原材料的獨(dú)立供應(yīng)。他說:“歐洲必須投資,投資,再投資——這就是將與中、美保持平衡的方式?！?/p>

被稱為“電池空客”的歐洲電池聯(lián)盟涉及包括汽車制造商和能源集團(tuán)在內(nèi)的數(shù)十家公司,這些公司正在建設(shè)產(chǎn)能,同時(shí)也在爭相開發(fā)下一代電源。

隨著電動(dòng)汽車銷量激增,預(yù)計(jì)歐洲對電池的總需求將在2025年達(dá)到接近300GWh,2030年超過700GWh,2035年超過1300GWh。雖然2020年之前歐洲生產(chǎn)的電池一直供不應(yīng)求,無法滿足市場上所有電動(dòng)汽車的需求,但如果計(jì)劃的產(chǎn)能能夠按時(shí)完成,那么最快2021年的供應(yīng)量就可以達(dá)到90GWh左右。

歐盟計(jì)劃在未來十年內(nèi)建立22家電池工廠,總產(chǎn)能將從2025年的460GWh(可搭載800萬輛左右電池電動(dòng)汽車(BV))增至2030年的730GWh,足以滿足預(yù)期的電動(dòng)汽車市場。這表明,旨在提振電動(dòng)汽車市場的政策也將供應(yīng)鏈和投資帶入了本地制造業(yè)。如果如期增產(chǎn),電池供應(yīng)甚至可能在本世紀(jì)20年代中期超過歐洲需求,預(yù)計(jì)到2030年,供應(yīng)和需求將持平于700GWh左右。

歐洲電池產(chǎn)能展望

用更少的材料生產(chǎn)更多的電池

鑒于運(yùn)輸業(yè)脫碳的緊迫性,電池是通往無碳道路運(yùn)輸體系的最佳途徑,也是支撐道路車輛向零排放過渡的關(guān)鍵技術(shù),將使該行業(yè)擺脫對化石燃料的依賴。隨著BEV在歐洲取代傳統(tǒng)汽車,未來幾年對電池和鋰、鎳、鈷等原材料的需求將不斷增長。

不過,歐洲的目標(biāo)是“更多的電池,更少的材料”——隨著電池技術(shù)(新的電池化學(xué)成分)的發(fā)展,生產(chǎn)每千瓦時(shí)電動(dòng)汽車電池所需的原材料將越來越少。從2020年到2030年,每千瓦時(shí)電動(dòng)汽車電池所需鋰平均含量將下降一半(從0．10kg/kWh下降到0．05kg/kWh);鈷含量也將持續(xù)走低,下降四分之三以上(從0．13kg/kWh下降到0．03kg/kWh);鎳含量將朝著更高方向發(fā)展,所以可減少大約五分之一(從0．48kg/kWh到0．39kg/kWh)。

雖然如此,仍需要三種大量上述關(guān)鍵原材料。T&E預(yù)計(jì),根據(jù)計(jì)劃中的歐洲生產(chǎn)能力,對材料的需求將顯著增加:

鋰:從2020年的5000噸到2030年的36000噸;

鈷:從2030年的7000噸到2030年的21000噸;

鎳:從2025年的26000噸到2030年的276000噸。

不包括回收的關(guān)鍵電池原材料總需求(單位:千噸)

鋰離子電池原材料的預(yù)期需求,與所需電池供應(yīng)總量、電池化學(xué)成分的預(yù)期演變、能量密度以及每種化學(xué)成分的詳細(xì)組成息息相關(guān)。

首先,目前用于電動(dòng)汽車動(dòng)力的鋰離子電池化學(xué)混合方案主要是NMC622,占市場上電池的36%,2025年NMC811將超過前者(占電池的41%),2030年NMC9．5．5將超過NMC811(占電池的37%)。

平均電池銷售構(gòu)成

電池化學(xué)成分的命名規(guī)則是基于陰極中關(guān)鍵材料的第一個(gè)字母及其比例。例如,NMC622電池的陰極由鎳、錳和鈷按6-2-2的比例制成(即鎳是錳或鈷的三倍)。接近2030年時(shí),預(yù)計(jì)電池將從鋰離子電池轉(zhuǎn)向高級化學(xué)電池,這將使電池組合的不確定性大大增加,特別是在2030年之后。

其次,由于電池能量密度的增加(從2020年的略高于200Wh/kg增加到2030年的350Wh/kg左右),在過去幾年中,對于給定千瓦時(shí)的上述每種電池化學(xué)來說,所需的材料都減少了。

不斷減少的平均電池組分(kg/kWh)

電池材料再利用和回收提上日程

與今天的化石燃料汽車不同,EV電池已成為循環(huán)經(jīng)濟(jì)的一部分,電池材料可以再利用和回收,以生產(chǎn)更多的電池。電池材料的回收利用對于減少對原材料的主要需求壓力,并最終限制原材料開采對環(huán)境和社區(qū)的影響至關(guān)重要。

根據(jù)歐盟委員會(huì)提出的目標(biāo),到2030年,電動(dòng)汽車電池生產(chǎn)所需的5%的鋰、17%的鈷和4%的鎳可以從回收的歐洲EV電池中獲得。到2035年,鋰和鎳的比例將增加到22%,鈷的比例增加到65%,因?yàn)樵絹碓蕉嗟钠嚰磳?bào)廢。由于更高的回收目標(biāo),在2035年,回收電池的供應(yīng)將進(jìn)一步減少對原材料的需求,鋰減少6%,鈷減少2%,鎳減少1%。

回收對減少原材料需求的影響

電動(dòng)汽車的回收利用從2030年開始產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響,而便攜式電子產(chǎn)品的回收利用的影響可能會(huì)在2020年后出現(xiàn)。如果鋰、鈷、鎳的供應(yīng)量充足,就能夠在全球范圍內(nèi)迅速推廣電動(dòng)汽車。對歐洲來說,如果歐洲目前的原材料儲(chǔ)備轉(zhuǎn)化為BEV電池,則將相當(dāng)于2030年生產(chǎn)2億輛BEV(或2000萬輛BEV沒有回收)的鋰,170億輛BEV(或3億輛沒有回收)的鎳,5億輛BEV(或1000萬輛沒有回收)的鈷。

實(shí)現(xiàn)最有效和可持續(xù)的原材料供應(yīng)目標(biāo),關(guān)鍵是優(yōu)先使用回收或二次材料,以減少新的一次資源或采礦量,并加強(qiáng)材料供應(yīng)的安全性,防止價(jià)格波動(dòng)。電池原材料的高回收率目標(biāo)應(yīng)該是這一循環(huán)經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略的核心。廢舊電池的再利用(無論是用于固定存儲(chǔ)或要求較低的移動(dòng)應(yīng)用)也有助于消除生產(chǎn)新電池和原材料的壓力。

通過回收有價(jià)值的材料,廢舊電池將用于新的產(chǎn)品,延長了原材料的使用時(shí)間。尤其是電池中的關(guān)鍵金屬鈷和鋰。歐盟委員會(huì)提出的新電池法規(guī)對鋰離子電池有具體的回收目標(biāo):

2025年鈷、鎳和銅的回收率為90%,2030年為95%;

2025年鋰的回收率為35%,2030年為70%。

根據(jù)EV電池的回收量預(yù)測,不斷增長的原材料需求將得到進(jìn)一步緩解。

新電池法規(guī)還要求到2025年回收效率(回收投入和回收產(chǎn)出的權(quán)重比)達(dá)到65%,到2030年達(dá)到70%。此外,提案還規(guī)定了對鈷、鎳、鋰和銅的具體回收率:

鈷、鎳、鋰和銅的具體回收率

除此之外,歐盟委員會(huì)還規(guī)定了到2030年新電池的最低再生成分比例:

新電池最低再生成分比例

回收確保原材料安全

可回收的電池主要來自EV中已達(dá)到使用壽命(或二次應(yīng)用中的使用壽命)的電池,但也可能來自:生產(chǎn)廢棄電池、測試用電池、不合格產(chǎn)品、非銷售(退回廠商)車輛、道路事故和其他類型的電池更換。所以,用于回收利用的電動(dòng)汽車電池可以具有同一年生產(chǎn)的電池材料成分,也可能更舊。因此,在未來十年內(nèi),返回回收公司的EV電池流量不會(huì)太大,因?yàn)槠涫状斡糜谶\(yùn)輸(絕大多數(shù))的平均壽命將超過十年,而第二次使用和電池重復(fù)使用將進(jìn)一步延長電池的壽命,直到電池到達(dá)最后回收階段。然而,由于生產(chǎn)廢棄和更早更換的電池,用于生產(chǎn)電池的材料預(yù)計(jì)將在平均10年剛過達(dá)到回收階段。

根據(jù)循環(huán)能源儲(chǔ)存報(bào)告預(yù)計(jì),到2030年,全球170GWh廢舊電池中只有16%(即27GWh)可供歐洲回收商利用,這僅占2030年歐洲電池總需求的4%。根據(jù)T&E計(jì)算,歐洲回收商可以為2035年制造的16%的新電池提供材料,即220GWh左右。其他來源的電池(如便攜式電子設(shè)備)可以在電動(dòng)汽車電池供應(yīng)仍然相對較少的20世紀(jì)20年代起到補(bǔ)充作用。

20世紀(jì)30年代,電動(dòng)汽車電池的再生材料數(shù)量將急劇增加:

再生鋰的供應(yīng)量將從2030年的2000噸左右增加到2035年的12000噸(含鋰,而不是碳酸鋰當(dāng)量(LCE));

再生鈷的供應(yīng)量將從2025年的4000噸增加到2035年的16000噸;

再生鎳的供應(yīng)量將從2030年的11000噸增加到2035年的94000噸。

回收的供應(yīng)量減少了對原材料需求的壓力,也減少了來自采礦活動(dòng)的供應(yīng)。到2030年,新EV電池生產(chǎn)所需的鋰、鈷和鎳的回收率分別為5%、17%和4%(基于歐盟委員會(huì)的材料回收率)。2035年,回收利用至少可以提供歐洲EV電池生產(chǎn)所需22%的鋰和鎳及65%的鈷。這些計(jì)算保守地假設(shè)2035年EV電池仍然是基于液體電解質(zhì)的電池(主要是高密度NMC),并且沒有考慮可能采用更先進(jìn)的電池化學(xué)。換言之,如果不考慮回收利用,就需要加大其他供應(yīng)來源,包括采礦業(yè)的一次來源和其他地區(qū)的二次供應(yīng)。例如,2035年,在沒有回收的情況下,鈷的供應(yīng)必須增加兩倍(+28%的鎳和+39%的鋰)。

回收對減少原材料需求的影響

電池創(chuàng)新將帶來更大挑戰(zhàn)

面對未來的市場需求,歐盟委員會(huì)還提出了鈷的回收利用率為12%,鋰和鎳的回收利用率為4%的目標(biāo)。不過,由于電池是一個(gè)快速增長和高度創(chuàng)新的市場,而且未來(特別是2030年以后)生產(chǎn)的電池類型存在固有的不確定性,因此高回收目標(biāo)應(yīng)優(yōu)先于更不確定和冗余的回收內(nèi)容目標(biāo)。例如,LFP(磷酸鐵鋰)電池最近出現(xiàn)了反彈,因?yàn)槠湓絹碓绞芰畠r(jià)中型電動(dòng)汽車的歡迎,盡管其能量密度較低。如果這一趨勢繼續(xù)下去,并且由于LFP電池不含鈷,那么鈷回收含量目標(biāo)對于LFP電池來說就變得毫無用處了。另一方面,隨著高鋰含量的固態(tài)電池(金屬鋰電池)可能商用并占領(lǐng)市場,鋰回收含量的目標(biāo)可能變得更具挑戰(zhàn)性。

鋰電池梯次利用和處理技術(shù)還沒打通

國家新能源汽車技術(shù)創(chuàng)新中心總經(jīng)理原誠寅博士認(rèn)為:“現(xiàn)在鋰電池梯次利用和之后的處理還有一些技術(shù)路線沒有完全走通,比如磷酸鐵鋰電池中的鋰,現(xiàn)在大家愿意要的是鈷和鎳這些貴金屬,而不愿意去碰鋰或者鐵;另一方面,鋰電池回收利用過程的幾個(gè)階段沒有搞明白?！?/p>

第一,車上鋰電池狀態(tài)的監(jiān)測和評估,包括剩余電量、電池壽命預(yù)測。

第二,回收后是直接拆解,還是梯次利用。后者最大的問題是沒有大規(guī)模數(shù)據(jù),也沒有大規(guī)模應(yīng)用場景,大都在講故事,比如電信行業(yè),根本沒有那么多適合使用的50安時(shí)電芯。

第三,拆解完了材料怎么處理?包括廢液、隔膜怎么處理,取出來的材料是不是先要全部用化學(xué)法萃取成各種金屬,還是中間做一些其他處理。以前一般的套路是先放電,把電解液抽出來,然后物理法粉碎,根據(jù)密度用風(fēng)吹自然分區(qū),再在不同區(qū)用化學(xué)法萃取?，F(xiàn)在發(fā)現(xiàn),這種玩法因?yàn)榛熘容^多雜質(zhì),用化學(xué)法萃取金屬效率又比較低,業(yè)界正在尋找更高效、更短閉環(huán)的處理途徑。

【附】歐洲動(dòng)力電池材料處理流程

粉碎

細(xì)顆粒干燥并泵出液體電解質(zhì)

干燥后物質(zhì)經(jīng)過篩分,重新提取出含有鋰、鎳、錳、鈷和石墨的有價(jià)值“黑色粉末”

磁性原料從顆粒中分離出來

非磁性原料從合成粒子中分離出來

分離出來的金屬