廢棄動(dòng)力鋰電池回收再利用技術(shù)及經(jīng)濟(jì)效益分析

王天雅 宋端梅 賀文智 李光明

1.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

2.上海污染控制與生態(tài)安全研究院

0 引言

圖1 2016年～2025年磷酸鐵鋰和三元鋰電池報(bào)廢量預(yù)測(cè)[1]

鋰電池作為高性能電池在新能源汽車中得到了廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，新能源汽車呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。新能源汽車動(dòng)力鋰電池的循環(huán)次數(shù)在500次～2 000次之間，在達(dá)到3年～5年的使用期限后將會(huì)報(bào)廢，2018年就已有大量待處理的報(bào)廢電池，預(yù)計(jì)到2025年，報(bào)廢動(dòng)力電池將達(dá)到136萬(wàn)t，其中磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池報(bào)廢量預(yù)測(cè)如圖1所示。iphone X的1 300倍[3]，即便是退役動(dòng)力電池的電池容量也是初始容量的20%～80%，由此，引起了相關(guān)產(chǎn)業(yè)對(duì)動(dòng)力鋰電池回收及電池材料再利用的重視。動(dòng)力鋰電池中含有大量高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的稀土元素和有色金屬，如鈷、鋰、鎳、銅、鋁等，金屬含量高于礦石[4]，回收利用廢舊動(dòng)力電池中的不可再生資源，不僅具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，還可以緩解當(dāng)前礦產(chǎn)資源緊缺、保護(hù)我國(guó)寶貴的礦產(chǎn)資源，且對(duì)降低電池的生產(chǎn)成本、推動(dòng)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展等方面都有著巨大的意義。所以，廢舊動(dòng)力鋰電池的回收再利用不僅能解決環(huán)境問(wèn)題，還能帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)效益。

1 廢舊動(dòng)力鋰電池回收政策

盡管動(dòng)力鋰電池是綠色電源，但其含有害的成分進(jìn)入環(huán)境后會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的污染，如果將廢舊動(dòng)力鋰電池進(jìn)行焚燒處理，會(huì)產(chǎn)生重金屬含量很高的煙氣，且電解液和隔膜還會(huì)產(chǎn)生大量的有毒氣體。如果將其掩埋，則會(huì)造成動(dòng)力電池中電解液的泄漏，鋰離子電解液中的LiPF6遇到水會(huì)產(chǎn)生氟化氫（HF），HF為劇毒氣體，電池中的電解液及重金屬會(huì)成為污染土壤和地下水的永久隱患，對(duì)環(huán)境和人類健康也會(huì)造成嚴(yán)重的威脅[2]。與此同時(shí)，新能源汽車所搭載的鋰電池能量為一部廢舊動(dòng)力鋰電池所具有的高環(huán)境危害性和高資源回收價(jià)值引起了政府及相關(guān)企業(yè)的高度重視，并催生了一系列動(dòng)力鋰電池回收政策。2012年，國(guó)務(wù)院印發(fā)《節(jié)能與新能源汽車發(fā)展產(chǎn)業(yè)規(guī)劃》要求，提高新能源汽車產(chǎn)量以及加強(qiáng)動(dòng)力電池梯級(jí)利用和回收管理。2014年，國(guó)務(wù)院辦公廳頒布《關(guān)于加快新能源汽車推廣應(yīng)用的指導(dǎo)意見(jiàn)》提出要制定電池回收政策、健全電池回收體系。2016年，國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)《生產(chǎn)者責(zé)任延伸制度推行方案》，從頂層設(shè)計(jì)角度對(duì)再生資源進(jìn)行規(guī)范，在電器電子、汽車、鉛酸蓄電池和包裝領(lǐng)域?qū)嵤┥a(chǎn)者責(zé)任延伸制度。2016年，國(guó)家發(fā)改委、工信部、環(huán)保部等部門(mén)聯(lián)合發(fā)布《電動(dòng)汽車動(dòng)力蓄電池回收利用技術(shù)政策》，對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池設(shè)計(jì)生產(chǎn)、回收、梯次利用、再生利用等方面均做出了詳細(xì)的規(guī)定。2017年，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)等部門(mén)先后頒布《電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池產(chǎn)品規(guī)格尺寸》《汽車動(dòng)力電池編碼規(guī)則》《車用動(dòng)力電池回收利用拆解規(guī)范》和《車用動(dòng)力電池回收利用余能檢測(cè)》，進(jìn)一步明確了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。2018年，工信部、科技部、環(huán)保部、交通運(yùn)輸部、商務(wù)部、質(zhì)檢總局、能源局等部門(mén)聯(lián)合發(fā)布《新能源汽車動(dòng)力蓄電池回收利用管理暫行辦法》規(guī)定，車企承擔(dān)動(dòng)力電池回收的主體責(zé)任，以產(chǎn)品編碼標(biāo)準(zhǔn)和溯源信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)電池來(lái)源可查、去向可追、節(jié)點(diǎn)可控、責(zé)任可究，構(gòu)建全生命周期管理機(jī)制。表1詳細(xì)列出了近年來(lái)與廢舊動(dòng)力電池相關(guān)的政策文件，這些政策的出臺(tái)使我國(guó)動(dòng)力電池回收的標(biāo)準(zhǔn)體系得以建立，促進(jìn)了行業(yè)集中化、規(guī)范化的發(fā)展。

2 動(dòng)力電池回收處理技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性分析

動(dòng)力鋰電池的諸多特殊性，在回收利用過(guò)程中需要配套系統(tǒng)化的回收模式以及規(guī)范化的處理技術(shù)?！缎履茉雌噭?dòng)力蓄電池回收利用管理暫行辦法》提出將廢舊動(dòng)力電池開(kāi)展多層次、多用途的合理利用，遵循優(yōu)先梯級(jí)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。廢舊動(dòng)力鋰電池在經(jīng)過(guò)余能檢測(cè)后，根據(jù)電池的余能狀態(tài)可進(jìn)行不同能量區(qū)段的應(yīng)用（見(jiàn)圖2）。

表1 涉及廢動(dòng)力鋰電池的相關(guān)政策性文件

圖2 動(dòng)力電池能量應(yīng)用區(qū)段[5]

余能大于80%的廢棄動(dòng)力鋰電池依舊符合電動(dòng)汽車使用要求，通過(guò)原位修復(fù)和增容技術(shù)等處理，可回用于汽車或其它低耗能車輛。余能介于20%～80%的電池不能滿足原級(jí)別電動(dòng)汽車的需求，但仍具有可觀的儲(chǔ)能能力，可在靜態(tài)電源中梯級(jí)利用（如小型蓄能電站，或太陽(yáng)能、風(fēng)能等再生能源的儲(chǔ)能裝置），延長(zhǎng)其生命周期。容量低于20%的動(dòng)力鋰電池將直接送往具備相關(guān)資質(zhì)的企業(yè)進(jìn)行拆解回收。

2.1 梯級(jí)利用

隨著使用時(shí)間的增加，動(dòng)力電池的內(nèi)部容量將會(huì)逐漸減小，電池性能會(huì)有所下降，當(dāng)新能源汽車的動(dòng)力電池內(nèi)部容量下降至無(wú)法滿足原級(jí)別汽車的要求時(shí)，將會(huì)面臨報(bào)廢，但報(bào)廢電池通常還能夠作為備用電池為一些低耗能產(chǎn)品供電，或應(yīng)用于清潔可再生能源發(fā)電站以及電信基站等的儲(chǔ)能。鋰離子電池作為儲(chǔ)能媒介，具有容量大、能量密度高、效率高等特點(diǎn)，非常適合用于儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行[6,7]，但高昂的成本成了鋰電池應(yīng)用于儲(chǔ)能系統(tǒng)的最大障礙[8，9]。Neubauer等[10]通過(guò)研究得出結(jié)論，對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池進(jìn)行梯級(jí)利用可顯著降低鋰電池在儲(chǔ)能領(lǐng)域的成本。梯次利用動(dòng)力電池進(jìn)行儲(chǔ)能，從本質(zhì)上解決了能量在時(shí)間和空間上分布不平衡的問(wèn)題。在電力系統(tǒng)中，運(yùn)用儲(chǔ)能技術(shù)可以有效地實(shí)現(xiàn)用戶需求側(cè)管理，消除晝夜峰谷差、平滑負(fù)荷、降低供電成本，同時(shí)可以促進(jìn)再生能源的利用，提高電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性并提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量，保證供電的可靠性[11，12]。研究顯示，磷酸鐵鋰電池在正常放電時(shí)電池容量衰減程度較小，當(dāng)容量衰減至80%從汽車上退役后，依舊有多達(dá)400到1 000的循環(huán)次數(shù)，梯次利用價(jià)值很高。

化學(xué)電源是否能在儲(chǔ)能中獲得經(jīng)濟(jì)利益的關(guān)鍵因素是成本和循環(huán)壽命[13]。退役動(dòng)力電池的梯級(jí)利用的各個(gè)流程涉及各類成本為以下兩方面：（1）廢舊動(dòng)力電池的回收需要付出購(gòu)置及運(yùn)輸成本，電池系統(tǒng)人工拆解需要的勞動(dòng)力成本，將拆解所得單體進(jìn)行篩選與檢測(cè)并重組電池過(guò)程需要的人工費(fèi)、測(cè)試設(shè)備折舊費(fèi)、電費(fèi)等；（2）成組電池的電池管理系統(tǒng)成本、電力電子成本，以及運(yùn)維成本等。李建林等[14]基于以上成本，從電池梯次利用的競(jìng)爭(zhēng)力角度分析了經(jīng)濟(jì)效益，得出電池容量大于60%時(shí)，動(dòng)力電池的梯級(jí)儲(chǔ)能較常規(guī)儲(chǔ)能具有成本競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的結(jié)論。陶志軍[15]根據(jù)剩余循環(huán)壽命對(duì)電池梯級(jí)利用的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了估算，發(fā)現(xiàn)梯次利用電池的性價(jià)比隨著循環(huán)壽命的增加而快速增加，當(dāng)電池循環(huán)次數(shù)大于400次時(shí)，將開(kāi)始產(chǎn)生較大的盈利（見(jiàn)圖3）。假設(shè)磷酸鐵鋰電池的能量密度為110Wh/kg，回收廢舊電池的能量衰減至70%，梯次利用的收益空間有望在2023年超過(guò)50億元[16]。

圖3 廢舊磷酸鐵鋰動(dòng)力電池梯級(jí)利用市場(chǎng)規(guī)模及利潤(rùn)空間預(yù)測(cè)

當(dāng)前，廢舊動(dòng)力電池梯級(jí)利用需要克服的難題之一是檢選，廢舊動(dòng)力電池的一致性較差，這種差異體現(xiàn)在電池容量和外形兩方面。檢選不到位則會(huì)導(dǎo)致重組電池的性能難以控制。其次，為了保證使用及運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程的安全問(wèn)題以及不同車輛對(duì)電池的外型需求，動(dòng)力電池包通常形態(tài)各異，初步拆解電池包時(shí)只能通過(guò)人工操作將電池外殼拆卸下來(lái)，無(wú)法配套流水線進(jìn)行批量處理，效率低下。這些問(wèn)題無(wú)形中增大了梯級(jí)利用的難度和成本，但相關(guān)政策的發(fā)布（如《拆解規(guī)范》《規(guī)格尺寸》）將在一定程度上解決這些行業(yè)性的發(fā)展難題，梯級(jí)利用的利潤(rùn)將會(huì)隨著產(chǎn)業(yè)的規(guī)范化逐漸升高。

2.2 拆解回收

當(dāng)汽車電池?zé)o法達(dá)到梯次利用的效果之后，將被送到專業(yè)的電池回收公司，將電池中的有色金屬進(jìn)行回收再利用。隨著資源的不斷枯竭，金屬鋰的來(lái)源今后將不再是開(kāi)采，而是回收[17]。三元電池含有的鎳鈷金屬含量遠(yuǎn)高于原礦，以最常見(jiàn)的NCM111為例，鎳、鈷、錳含量分別占12%、3%及5%，而磷酸鐵鋰電池即使不包含鈷、鎳等稀有金屬，其1.1%的鋰含量也顯著高于我國(guó)開(kāi)發(fā)利用的品位僅為0.4%～0.7%的原礦[18]。貴金屬價(jià)格的上漲及礦產(chǎn)資源的稀缺使原料回收成為電池市場(chǎng)中重要的部分，回收廢舊電池材料不僅回收效率高，還能夠降低電池生產(chǎn)成本，較直接開(kāi)采礦石的生產(chǎn)方式更具有低價(jià)優(yōu)勢(shì)[19]。據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)測(cè)算[20]，回收鈷、鎳、錳、鋰、鐵和鋁等金屬所創(chuàng)造的市場(chǎng)規(guī)模在2020年將達(dá)到136億元，2023年將超過(guò)300億元。

新能源汽車所使用的動(dòng)力電池主要為磷酸鐵鋰電池及三元聚合物鋰電池，隨著行業(yè)需求的增大及相關(guān)研究的深入，這兩類廢舊動(dòng)力電池回收處理的技術(shù)水平正在逐步升高。處理廢舊鋰電池的方法有物理法、化學(xué)法、生物法三大類，其中物理法主要包括了破碎浮選法、機(jī)械研磨法和有機(jī)溶劑溶解法等，化學(xué)法包括火法冶金和濕法冶金，生物法是利用微生物的代謝過(guò)程對(duì)金屬選擇性的浸出。其中，濕法冶金由于能耗較低、回收率較高、產(chǎn)品純度高等特點(diǎn)受到廣泛的認(rèn)可，國(guó)內(nèi)大部分企業(yè)采用的就是濕法回收技術(shù)。

濕法冶金處理廢舊電池的主要步驟包含前處理、預(yù)處理、酸/堿液浸出、浸出液除雜、分離萃取、元素沉淀[21]，濕法回收工藝核心部分為金屬材料的浸取過(guò)程，通過(guò)使用無(wú)機(jī)酸或有機(jī)酸將金屬以離子回收到酸溶液中[22]，圖4和圖5分別為三元鋰電池以及磷酸鐵鋰電池的處理工藝流程。

圖4 濕法冶金回收三元鋰電池工藝流程圖[23]

圖5 濕法冶金回收磷酸鐵鋰電池工藝流程圖[24]

濕法回收工藝簡(jiǎn)單、設(shè)備要求不高，適合工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)，但也存在工藝流程較長(zhǎng)、電池成份不能全部回收的問(wèn)題[18]，同時(shí)，處理過(guò)程中需要加入鹽酸等腐蝕性溶液提高了成本。盡管如此，由于技術(shù)成熟化以及金屬原料的增值，廢舊動(dòng)力鋰電池的濕法回收依舊呈現(xiàn)較大盈利潛力。廢舊電池的回收再利用的生產(chǎn)成本通常包括以下幾部分：（1）材料成本，包括原材料及輔助材料；（2）燃料動(dòng)力成本；（3）環(huán)境治理成本，即對(duì)處理回收過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣、廢渣、廢液的無(wú)害化處理費(fèi)用；（4）設(shè)備成本；（5）人工成本。此外，還包括一些其他支出，如高速通行費(fèi)、產(chǎn)品包裝費(fèi)、產(chǎn)品銷售費(fèi)等[25]。衛(wèi)壽平等[25]以NCM111（鎳鈷錳三元電池LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2）濕法回收為例分析了三元電池回收再利用成本，得出每噸三元電池回收成本高達(dá)26 500元，但鑒于鈷、鋰等金屬市場(chǎng)價(jià)格的持續(xù)暴漲，濕法回收依舊能夠帶來(lái)較多利潤(rùn)。賈曉峰等[26]將磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池的三種回收方式的成本及收益進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如圖6所示，三元電池的濕法拆解回收能帶來(lái)明顯的收益，其中正極材料的回收價(jià)值極高，而磷酸鐵鋰電池的拆解回收總體均處于虧損狀態(tài)，回收再利用難以獲得收益，重點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行合理的梯級(jí)利用能夠帶來(lái)較大的利潤(rùn)。

圖6 磷酸鐵鋰電池和三元聚合物鋰電池的回收工藝經(jīng)濟(jì)性分析（元/t）

圖7 廢舊三元?jiǎng)恿﹄姵夭鸾馐袌?chǎng)規(guī)模及利潤(rùn)空間預(yù)測(cè)

廢舊三元?jiǎng)恿︿囯姵夭鸾饣厥帐袌?chǎng)規(guī)模及利潤(rùn)空間預(yù)測(cè)如圖7所示[14]。到2023年，僅三元電池的拆解市場(chǎng)規(guī)模就可達(dá)54.1億元。通過(guò)拆解回收，鎳、鈷、錳等金屬元素可實(shí)現(xiàn)95%以上的回收率，經(jīng)進(jìn)一步的資源化，可以生產(chǎn)出鎳、鈷、錳及鋰鹽，以及三元正極材料及其前驅(qū)體，將產(chǎn)品直接用于鋰電池電芯制造，有利于閉環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈的構(gòu)建。隨著未來(lái)三元正極材料及其前驅(qū)體的發(fā)展趨勢(shì)，將產(chǎn)品直接用于鋰電動(dòng)力鋰電池的大規(guī)模報(bào)廢以及回收渠道正規(guī)化、合理化，動(dòng)力電池回收處理企業(yè)將能在動(dòng)力電池回收板塊中獲取日益增長(zhǎng)的利潤(rùn)。

3 總結(jié)與展望

當(dāng)前，廢舊動(dòng)力電池梯級(jí)利用的主要市場(chǎng)為儲(chǔ)能，在現(xiàn)有鋰電池儲(chǔ)能市場(chǎng)受成本影響發(fā)展已近瓶頸的背景下，退役動(dòng)力電池在未來(lái)能有力推進(jìn)儲(chǔ)能利用的可持續(xù)發(fā)展，廢舊電池差異性的降低將會(huì)有助于降低梯級(jí)利用成本。

廢舊三元?jiǎng)恿﹄姵氐幕厥赵倮镁邆錁O高的經(jīng)濟(jì)可行性，濕法回收技術(shù)是較為適合應(yīng)用于三元電池回收利用的技術(shù)，也是國(guó)內(nèi)外技術(shù)領(lǐng)先回收企業(yè)所采用的主要回收方法。目前，我國(guó)動(dòng)力鋰電池尚未達(dá)到大批次報(bào)廢回收的等級(jí)，許多回收處理企業(yè)無(wú)法收到足夠的廢舊電池，小規(guī)模處置的固定成本較高，常常難以盈利，但隨著近年來(lái)電池報(bào)廢量的激增，從長(zhǎng)期看，未來(lái)必將會(huì)產(chǎn)生可觀的規(guī)模效應(yīng)。

電池的回收利用目的在于實(shí)現(xiàn)其全生命周期的管理，達(dá)到廢舊電池?zé)o害化、資源化的最終目的[27]。目前，我國(guó)動(dòng)力電池回收利用規(guī)模較小，部分末端再生利用企業(yè)的動(dòng)力電池回收利用綜合資源利用率低，僅靠少數(shù)資質(zhì)較高的回收企業(yè)也難以支撐回收市場(chǎng)。此外，為保證動(dòng)力電池回收企業(yè)能夠獲得利潤(rùn)、降低安全隱患以及環(huán)境污染、避免不合理的回收，發(fā)展相關(guān)高端技術(shù)也是動(dòng)力電池回收需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題，2017年頒布的《拆解規(guī)范》完善了車用動(dòng)力電池法律標(biāo)準(zhǔn)，為我國(guó)車用動(dòng)力電池的回收利用管理環(huán)節(jié)提供了技術(shù)支撐。我國(guó)相關(guān)政策的完善及回收網(wǎng)絡(luò)的健全，梯次利用與電池生產(chǎn)、拆解回收和電池材料顯現(xiàn)出了融合發(fā)展的態(tài)勢(shì)[28]，促進(jìn)了電池回收的商業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化。健全的回收體系是回收產(chǎn)業(yè)可持續(xù)的關(guān)鍵，只有創(chuàng)造一個(gè)共生共贏的產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)圈，我國(guó)的車用動(dòng)力電池回收利用才會(huì)得到有效發(fā)展。