中國粉體網(wǎng)訊 新能源電動(dòng)車行業(yè)的快速發(fā)展導(dǎo)致廢舊動(dòng)力電池?cái)?shù)量激增,包括退役動(dòng)力電池在內(nèi)的廢舊鋰離子電池回收問題凸顯。由于退役動(dòng)力電池兼具環(huán)境危害性和資源性,若不對(duì)其進(jìn)行回收利用,會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。
9月16日,在工業(yè)和信息化部舉行的主題發(fā)布會(huì)上,工業(yè)和信息化部節(jié)能與綜合利用司司長黃利斌表示,下一步將加快出臺(tái)一批動(dòng)力電池回收利用國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
“隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展,動(dòng)力電池退役量逐年上升。做好動(dòng)力電池回收利用工作,對(duì)于保護(hù)生態(tài)環(huán)境、提高資源利用效率、保障新能源汽車產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展具有重要意義!秉S利斌指出。
動(dòng)力電池回收的千億藍(lán)海
根據(jù)公安部統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù),截至今年6月底,我國新能源汽車保有量已經(jīng)突破千萬,達(dá)到1001萬輛。此外,新能源汽車銷量還在成倍增長,業(yè)內(nèi)諸多觀點(diǎn)認(rèn)為,今年新能源乘用車銷量將超過600萬輛。
在新能源汽車迅猛發(fā)展、上游原材料大幅漲價(jià)以及“歐盟電池最新法案”等多重因素驅(qū)動(dòng)下,動(dòng)力電池回收行業(yè)去年開始升溫,資本、車企、電池生產(chǎn)商逐漸涌入電池回收賽道,電池回收企業(yè)更是成為了合作中的“香餑餑”。
2021年下半年以來,各大券商幾乎異口同聲地喊出“千億風(fēng)口”的誘人口號(hào)。比如,天風(fēng)證券預(yù)測,在中性預(yù)期下,預(yù)計(jì)2030年我國動(dòng)力電池回收的市場總規(guī)模將達(dá)到758.4億元,樂觀情形下,2030年動(dòng)力電池回收市場總規(guī)模則有望達(dá)到1048.9億元。千億市場風(fēng)起,動(dòng)力電池回收從不被重視的“破爛兒”行業(yè)將變成未來的一片新藍(lán)海。
動(dòng)力電池回收白名單企業(yè)
動(dòng)力電池回收行業(yè)2020年起步,2021年進(jìn)入白熱化競爭階段,原因是2021年新能源汽車銷量大幅增長,致使動(dòng)力電池回收的“千億風(fēng)口”提前到來。不過,萬家企業(yè)“搶破爛”熱潮之下,無序競爭、劣幣驅(qū)逐良幣、環(huán)保隱患等問題日益凸顯。
為了加強(qiáng)綜合利用企業(yè)的規(guī)范化管理,同時(shí)也對(duì)相關(guān)企業(yè)具備的技術(shù)、裝備和工藝等提出要求,工信部根據(jù)相關(guān)規(guī)范分別于2018年、2020年、2021年先后公布了三批符合《新能源汽車廢舊動(dòng)力蓄電池綜合利用行業(yè)規(guī)范條件》的企業(yè)名單(俗稱白名單)。
第一批符合新能源汽車廢舊動(dòng)力蓄電池綜合利用行業(yè)規(guī)范條件企業(yè)名單(來源:梁展星等,《廢舊動(dòng)力電池回收利用技術(shù)與政策分析》)
到目前為止,三批動(dòng)力電池回收利用白名單企業(yè)共計(jì)已達(dá)47家,廢舊動(dòng)力電池回收市場已成為近期各大電池、新能源廠商及資本關(guān)注的焦點(diǎn)。
動(dòng)力電池回收工藝
正極材料回收
鋰電池種類較多,根據(jù)正極材料區(qū)分常見的有鈷酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池等,這些鋰電池中含有較多的Co、Ni、Mn、Li、Fe等金屬資源,具有很高的回收價(jià)值。目前工藝上主要有火法冶金與濕法回收。
早期的火法冶金中,廢舊電池幾乎不經(jīng)過任何前處理,直接將電池組拆分后進(jìn)行煅燒。對(duì)于貴重金屬含量較高的廢電池來說,這種方法具有經(jīng)濟(jì)可行性,但對(duì)于磷酸鐵鋰或錳酸鋰等電池來說難以實(shí)行。傳統(tǒng)的火法冶金能耗高、材料損失大、會(huì)產(chǎn)生有毒氣體,而且無法回收鋰。后來有人利用火法冶金與其他方法相結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)鋰的回收,比如火法結(jié)合濕法冶金、真空蒸發(fā)以及惰性氣體氛圍焙燒等。這些方法最終都可以得到鋰化合物,減少了鋰損失。
濕法回收主要包括浸出和分離(萃取、沉淀)過程,通過酸或堿對(duì)鋰電池正極材料進(jìn)行溶解,將正極活性物質(zhì)中的金屬組分浸出,再通過萃取、沉淀等工藝程序獲得相應(yīng)的金屬及金屬化合物。濕法冶金是一種很成熟的廢舊鋰電池處理方法,更適合中小規(guī)模廢舊鋰離子電池的回收。其優(yōu)點(diǎn)是處理成本較低,有價(jià)金屬綜合回收率較高,但回收過程用到大量的酸或堿,對(duì)環(huán)境影響較大。
負(fù)極材料回收
目前對(duì)負(fù)極材料的研究相對(duì)較少。負(fù)極材料以碳為主,包括石墨、銅箔、硅碳合金和鈦酸鋰材料。石墨和銅箔的回收可以解決電池級(jí)石墨和精銅資源短缺的問題,目前主要通過高溫煅燒法、酸浸法、硫酸固化法、電化學(xué)法等來收集石墨。
石墨回收方法:(a)無機(jī)酸回收;(b)硫酸固化法;(c)電化學(xué)法(來源:燕喬一等,《鋰離子電池負(fù)極石墨回收處理及資源循環(huán)》)
最常用的回收方法是酸浸處理法,以三氟乙酸和無機(jī)酸為溶劑,通過脫除石墨廢料中的層間金屬離子和其他未分離的正極材料/集流體等來獲得深度凈化的石墨,再經(jīng)預(yù)煅燒-草酸鹽球磨混合-長時(shí)間高溫石墨化處理才可得電池級(jí)石墨負(fù)極材料。該工藝路線雖然成熟,但是存在流程長、成本高等弊端。
電解液回收
電解液主要由鋰鹽、有機(jī)溶劑和添加劑組成。由于市場需求旺盛,碳酸酯溶劑和鋰鹽價(jià)格逐年升高,溶劑碳酸二甲酯(DMC)在2022年初達(dá)10000元/噸,而鋰鹽LiPF6高達(dá)55萬元/噸。中國能提供F元素的螢石僅能供開采約15年,成本日益增加。此外LiPF6極易分解,在空氣中遇到痕量水即會(huì)分解產(chǎn)生HF、OPF3等有害物質(zhì),對(duì)人體健康和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生巨大危害?紤]到未來廢電解液量將非常巨大,從資源和環(huán)保角度出發(fā),電解液回收及高值化利用均迫在眉睫。
電解液基本組成(來源:張群斌等,《廢舊電池電解液回收及高值化利用研發(fā)進(jìn)展》)
電解液回收主要在動(dòng)力電池拆解及破碎工序進(jìn)行,多采用物理手段將其提取出來。考慮到成本及規(guī)模等因素,目前大多數(shù)企業(yè)僅回收高價(jià)值的能源金屬元素,忽略電解液的回收。
不同電解液回收的機(jī)理示意圖:(a)冷凍法;(b)機(jī)械離心法;(c)有機(jī)溶劑萃取法;(d)、(e)超臨界二氧化碳萃取法;(f)鋰鹽回收方法(來源:張群斌等,《廢舊電池電解液回收及高值化利用研發(fā)進(jìn)展》)
截至目前僅有少數(shù)企業(yè)開展過電解液的回收技術(shù)研發(fā)。英國AEA公司經(jīng)低溫破碎、分離鋼材后,用乙腈提取電池中的電解液,采用N-甲基吡咯烷酮(NMP)提取黏合劑(PVDF),分選后得到Cu、Al和塑料,電沉積法將溶液中的Co轉(zhuǎn)化為CoO,流程如下圖(c)所示。日本OnTo公司開發(fā)了Eco-Bat工藝,將電池放置在一定壓力和溫度的容器中,用液態(tài)二氧化碳溶解電池內(nèi)的電解液,改變溫度和壓力使CO2氣化,進(jìn)而讓電解液從中脫出,流程如下圖(d)所示。
國內(nèi)外企業(yè)回收鋰電池電解液案例:(a)格林美工藝;(b)比利時(shí)Umicore工藝;(c)英國AEA工藝;(d)日本OnTo工藝;(e)法國Recupyl工藝(來源:張群斌等,《廢舊電池電解液回收及高值化利用研發(fā)進(jìn)展》)
動(dòng)力電池回收技術(shù)中國知識(shí)產(chǎn)權(quán)
采用文獻(xiàn)計(jì)量與專利計(jì)量相結(jié)合的研究方法,并借鑒邱均平等提出的指標(biāo)體系,以生產(chǎn)力、影響力和創(chuàng)新力為衡量指標(biāo),分析中國知識(shí)產(chǎn)權(quán)在該領(lǐng)域的全球競爭力。
論文分析
廢舊鋰離子電池回收技術(shù)發(fā)文量前10的機(jī)構(gòu)(來源:周超峰等,《廢舊鋰離子電池回收技術(shù)中國知識(shí)產(chǎn)權(quán)》)
生產(chǎn)力方面,以發(fā)文量和全球占比為衡量指標(biāo),結(jié)果顯示:在前10位主要機(jī)構(gòu)中有6位來自中國。其中,中國科學(xué)院和中南大學(xué)在發(fā)文量和全球占比方面占絕對(duì)優(yōu)勢,處于第一梯隊(duì),成為該技術(shù)發(fā)展的主要發(fā)文力量;美國能源部和德國亥姆霍茲聯(lián)合會(huì)是為發(fā)文量最多的國外機(jī)構(gòu),位居第二梯隊(duì),屬于該技術(shù)發(fā)展的重要發(fā)文力量。
影響力方面,以H指數(shù)、總他引次數(shù)和篇均他引次數(shù)為衡量指標(biāo),結(jié)果顯示:中國科學(xué)院、中南大學(xué)和美國能源部居H指數(shù)和總他引次數(shù)的前三位;北京理工大學(xué)、中國科學(xué)院和美國能源部位列篇均他引次數(shù)前三位。
創(chuàng)新力方面,以高被引論文數(shù)量為衡量指標(biāo),由多到少依次為中南大學(xué)、中國科學(xué)院、德國亥姆霍茲聯(lián)合會(huì)和印度科學(xué)和工業(yè)研究理事會(huì),進(jìn)一步反映出中國在該領(lǐng)域的引領(lǐng)作用。美國、德國、法國和印度盡管在此方面與中國有一定的差距,但影響力也不容小覷。
專利分析
前10位創(chuàng)新主體及專利分布(來源:周超峰等,《廢舊鋰離子電池回收技術(shù)中國知識(shí)產(chǎn)權(quán)》)
專利方面,僅中國的中南大學(xué)和昆明理工大學(xué)覆蓋了所有技術(shù)領(lǐng)域。但從創(chuàng)新主體性質(zhì)來看,美日兩國的創(chuàng)新主體以注重經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)用價(jià)值的企業(yè)為主,企業(yè)成為兩國在廢舊鋰離子電池回收技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新力量;而中國創(chuàng)新主體則以高校和科研院所為主,企業(yè)較少。這反映出我國在該領(lǐng)域的創(chuàng)新主體方面與美日存在較大差異。
結(jié)語與展望
鋰電池是新能源汽車和電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的重要組成,是實(shí)現(xiàn)國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和“碳中和”目標(biāo)的關(guān)鍵儲(chǔ)能技術(shù)。隨著新能源汽車普及和可再生能源的大規(guī)模利用,鋰離子電池在儲(chǔ)能領(lǐng)域的作用將越來越大,電池回收也成為一個(gè)重要問題。
企業(yè)方面,企業(yè)應(yīng)抓住機(jī)遇,在降低成本、優(yōu)化流程、提高效率等方面加大研發(fā)投,以提高企業(yè)市場競爭力。
回收工藝方面,以往回收主要集中在高價(jià)金屬元素的回收和利用,對(duì)負(fù)極材料與電解液回收利用較少。然而,負(fù)極含電池級(jí)石墨材料,電解液中含有大量的有機(jī)溶劑和鋰鹽,進(jìn)行回收處理和資源再生研究,不僅可以有效緩解市場的潛在供需風(fēng)險(xiǎn),還可減少對(duì)環(huán)境的二次污染。
知識(shí)產(chǎn)權(quán)方面,針對(duì)我國創(chuàng)新主體以高校和科研院所為主、企業(yè)較少的現(xiàn)象,建議相關(guān)部門積極制定激勵(lì)措施,積極引導(dǎo)企業(yè)、高校、科研院所之間的專利融合;以市場為導(dǎo)向,組建“政-產(chǎn)-學(xué)-研-用”五位一體的合作聯(lián)盟,構(gòu)建廢舊鋰離子電池回收產(chǎn)業(yè)鏈的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)體系,促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室技術(shù)向市場轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化,提升相關(guān)科研成果的先進(jìn)性、實(shí)用性、競爭性和影響力。
參考資料:
1、人民網(wǎng),《工信部:將加快出臺(tái)一批動(dòng)力電池回收利用國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》
2、徐正震等,《廢舊鋰電池正極材料中有價(jià)金屬的回收工藝研究進(jìn)展》
3、梁展星等,《廢舊動(dòng)力電池回收利用技術(shù)與政策分析》
4、張群斌等,《廢舊電池電解液回收及高值化利用研發(fā)進(jìn)展》
5、燕喬一等,《鋰離子電池負(fù)極石墨回收處理及資源循環(huán)》
6、周超峰等,《廢舊鋰離子電池回收技術(shù)中國知識(shí)產(chǎn)權(quán)》
(中國粉體網(wǎng)編輯整理/長安)
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