汽車報廢動力電池回收利用模式分析

姚燕，蔣瓊

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

0 引言

由于傳統(tǒng)燃油汽車產生的環(huán)境污染、石油能源的枯竭等問題，為保護環(huán)境和生態(tài)，國家大力發(fā)展新能源汽車。現階段國內外新能源汽車主要以電動汽車為主，動力電池作為電動汽車的動力源，是最重要的關鍵零部件。截至2019年4月，我國新能源汽車銷量已達383萬輛，如圖1所示。新能源汽車發(fā)展的同時帶來了大量報廢動力電池。動力電池使用壽命一般為5～8年[1]，預計2020年將產生20萬噸的報廢電池。

圖1 近幾年我國電動汽車銷量(資料來源：汽車工業(yè)協(xié)會)

為追求更高的續(xù)航里程，各大汽車企業(yè)大力開發(fā)三元動力電池，這些電池含有鎳、鈷、銅等重金屬，這些金屬具有累積效應，一旦進入土壤、水體等環(huán)境中，將會通過食物鏈富集在人體內，鎳和鈷具有致癌性、致突變性和生殖毒性，一旦進入人體，將產生極大的危害[2]，還有含氟電解液等危險物品。這些報廢動力電池如果不能有效處理，會對環(huán)境造成重大污染和危害人類健康，更是對資源的極大浪費，因此報廢汽車動力電池的回收利用研究具有環(huán)境保護效益和經濟價值。

1 汽車動力電池回收利用現狀

1.1 國家政策

我國電動汽車近幾年才開始加速發(fā)展，目前尚缺乏針對動力電池回收利用的法規(guī)標準體系，但相關部門早在2017年就開始關注報廢動力電池的處理問題，并出臺了一系列政策。工信部、環(huán)保部、交通運輸部等7部委在2018年共同印發(fā)《新能源汽車動力蓄電池回收利用管理暫行辦法》，結合《生產者責任延伸制度推行方案》，對參與動力電池設計、生產、銷售、回收活動段的相應企業(yè)進行了規(guī)定。同年工信部發(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》，要求對動力電池的生產、銷售、使用、報廢和回收利用全生命周期進行監(jiān)管。

標準體系方面，為解決報廢動力電池回收面臨的技術問題，國家標準委員會專門成立了車用動力電池回收利用標準工作組，針對動力電池運輸、包裝、拆解、余能檢測、梯次利用和材料回收等方面編制相應的技術要求，為后續(xù)大批量的報廢動力電池回收提供技術支持。

1.2 行業(yè)現狀

目前，國內新能源汽車動力電池主要有磷酸鐵鋰和三元電鋰電池兩種類型。根據慣例，動力電池容量低于初始容量80%后將不再適用于電動車的使用[3]，但此時的動力電池仍有很大的利用價值。因此行業(yè)內報廢汽車動力電池回收一般先進行梯次利用，主要用于低速電動車、通信基站備用電源、電力系統(tǒng)儲能等領域，電池容量低于20%后再進行拆解與回收材料。報廢動力電池梯次利用作為近兩年形成的新興領域，目前還處于起步階段，還未形成規(guī)范的市場，還存在諸如動力電池剩余壽命的檢測，如何判定哪些產品可以進行梯次利用、梯次利用產品的回收價值如何估算等很多問題未解決，最重要的是如何保證梯次產品的安全性能，這些問題都制約著梯次利用市場的可持續(xù)發(fā)展。目前行業(yè)內磷酸鐵鋰電池梯次利用技術比較成熟，產品性能穩(wěn)定，具有很高的梯次利用價值，但由于原材料價值低，回收價值不高。相反，三元電鋰電池由于含有鈷、鎳等貴重金屬，具有很高的材料回收價值，同時也因為具有較高的鎳含量，導致熱失控溫度較低，梯次利用產品無法完全確保安全性能，且產品使用壽命不長，梯次利用價值低。

報廢電池梯次利用完后，或無法進行梯次利用的報廢電池，最終進入材料回收環(huán)節(jié)。材料回收基本流程如下：首先將電池包拆解至外殼、電器元件、管路件和模組，模組繼續(xù)拆解至電芯單體。電池包拆解至電芯的過程，目前行業(yè)內主要采用人工拆解的方法，自動化拆解系統(tǒng)與方法研究仍處于起步階段。

2 汽車動力電池材料回收方法

汽車動力電池包主要由機械結構件、高壓銅排、線束、模組、控制器、高壓盒及水冷系統(tǒng)等組成，主要材料及回收方法見表1，其中金屬材料已有成熟的回收體系，可以直接作為一種回收產品；電器件部分零件如控制器、繼電器等具有再制造的價值，但目前再制造的可行性還需進一步分析；塑料類材料采用再造粒方法重新生產新的材料，多用于垃圾桶等市政項目。

表1 動力電池主要材料及回收方法

三元電鋰電池有價金屬主要集中在電芯正極材料中，通過對兩款三元電鋰電池材料回收的經濟價值分析，發(fā)現正極材料回收價值占整個動力電池包回收總價值的95%左右，如圖2所示。因此，報廢動力電池包材料回收主要是對正極材料的回收，回收方法的研究也最多，現階段實際生產中三元正極材料的回收方法主要有濕法冶金工藝和火法冶金工藝兩種。

圖2 動力電池材料回收價值

2.1 濕法冶金工藝

濕法冶金工藝是將電池包拆解至電芯單體，放電后進行破碎，分選出正極材料，再將正極材料置于酸性或堿性溶劑中進行浸取，最后分別提取有價金屬。其中，浸取和提取是濕法冶金工藝最核心的兩個步驟。

浸取是將有價金屬Co、Ni、Li和Mn溶解在溶劑中，目前主要方法有酸浸法和生物浸取法[4]。酸浸法是指利用酸性溶劑將正極材料上的金屬離子溶解在溶液中，采用的酸分為無機酸或有機酸，使用無機酸處理成本低，但會產生強酸廢水，使用有機酸時產生的廢水容易降解，環(huán)境污染少，但有機酸來源少，價格較貴。生物浸取是利用微生物溶解金屬離子，具有金屬離子浸取效果好、處理成本低、能源消耗低等優(yōu)點，但微生物培育時間較長，不適合用于大批量報廢電池的浸取。

提取是指將上一步浸取液中的有價金屬Co、Ni、Li和Mn徹底分離，分別提純回收，一般分為萃取法和沉淀法兩種。萃取法是利用不同的萃取劑與各個金屬絡合形成穩(wěn)定的絡合物，分別將金屬離子提取出來，具有操作簡單、能耗低、金屬離子回收率和純度高等優(yōu)點，但需要使用大量的化學試劑，且萃取劑價格較高[1]。沉淀法是加入沉淀劑，與金屬離子進行化學反應形成沉淀物，逐步過濾分離，該方法具有金屬離子回收率高、處理成本低、設備要求低等優(yōu)點，應用較為廣泛，但由于多種金屬離子同時存在，易出現共沉淀的現象，回收產品純度低。

動力電池電芯有價金屬回收濕法冶金工藝流程[5]如圖3所示，該方法處理成本低，對設備要求不高，回收的產品可以直接用于正極材料的生產，使用該方法會產生強酸、強堿或含有重金屬的廢水和廢渣，需要對這些污染物進行環(huán)保處理。國內如格林美、邦普等主要企業(yè)基本采用濕法冶金回收報廢動力電池材料，并設立專門的部門處理廢水，經過處理后的廢水和廢渣各項指標均能滿足國標要求。

圖3 電池有價金屬回收濕法冶金工藝流程

2.2 火法冶金工藝

火法冶金工藝，也叫高溫分選或熱處理法，是指將電池外殼拆掉后，置于高溫爐中焚燒，在800 ℃高溫下有機粘結劑、電解液等其他有機雜質被燃燒分解，變成氣體去除[6]，同時在一定的條件下，對有價金屬經過氧化還原形成金屬氧化物，從而回收有價金屬。工藝流程如圖4所示。

圖4 電芯有價金屬回收濕法冶金工藝流程

火法冶金工藝回收電池材料的有價金屬優(yōu)點是回收效率高、工藝流程簡單、能夠快速去除雜質，缺點是對設備要求高、能源消耗高、處理成本高，同時回收產品需要進一步合成相應的金屬鹽類才能用于新正極材料的生產，產生的有機氣體廢氣會污染大氣，需要廢氣處理才能排放。該方法在國外應用較多，如比利時優(yōu)美科擁有年處理量7 000 t的報廢電池回收工廠，該廠采用火法冶金回收電池材料，并將回收產品加工成制備電池材料的原材料，產生的殘渣還可以用于建筑材料上[5]，形成了較為完整的產業(yè)生態(tài)，產生的廢氣經過處理后可以達標排放。

3 汽車動力電池材料回收模式

目前，濕法冶金和火法冶金工藝均已工業(yè)化應用，且有價金屬回收率高、回收產品雜質少，可用于新電池材料的制備。黎華玲等[7]分析了采用濕法冶金和火法冶金回收電池材料的經濟效益，三元鋰電池采用濕法冶金工藝可以獲得較高的盈利，磷酸鐵鋰電池采用改進后的火法冶金工藝回收材料能獲取少量盈利。國內目前主流的新能源汽車動力電池大部分采用三元鋰電池，且三元電池材料回收價值較高，因此針對三元正極材料的回收和再生研究較多。楊桃等人[8]對失去活性鋰而導致電池失效的三元正極材料，通過添加電池級碳酸鋰的方法重新生產新的正極材料，得到的材料性能指標均符合電池生產的要求。HE等[9]采用碳酸鹽共沉淀法，利用報廢的三元材料合成新的正極材料，合成的材料性能與利用新材料合成的正極材料性能相當。

汽車動力電池由于使用壽命比汽車本身要短，或存在多種使用不當的情況，導致動力電池需要更換或維修。新能源汽車生產企業(yè)通過龐大的4S店網絡，可以很容易回收這部分報廢電池，而汽車企業(yè)可以將這些報廢的電池材料回收后繼續(xù)應用于新的電池開發(fā)中，因此汽車生產企業(yè)主動回收報廢動力電池，不僅可以滿足法規(guī)的要求，解決電池報廢后產生的環(huán)境污染問題，還可以降低電池材料采購成本，提高企業(yè)品牌形象和產品競爭力。圖5構建了一種汽車企業(yè)回收報廢動力電池材料的運行模式，汽車企業(yè)采用以租代售或以舊換新的方式將汽車動力電池交給消費者，通過4S店或回收網點收集報廢的電池，將電池材料回收后再利用生產的新的正極材料進行新電池的制備。這種模式下，正極材料可以重復利用，實現真正意義上的循環(huán)。

圖5 報廢動力電池回收模式

4 小結

新能源汽車的大力發(fā)展，將導致大量的報廢動力電池的產生，電池的回收處理成為必然需要解決的問題。國家出臺多個政策法規(guī)和制定相應的技術標準，推進報廢動力電池的回收處理；行業(yè)內也在研究電池包的高效率自動化拆解技術，分析報廢動力電池回收經濟價值，探討報廢動力電池的回收模式。報廢動力電池材料，特別是三元鋰電池正極材料的回收技術和再生技術比較成熟，回收材料再生的產品與新材料生產的正極材料性能相當，符合動力電池的要求。

目前，存在的主要問題是如何從消費者手中回收報廢電池和電池回收市場不規(guī)范，以新能源汽車生產企業(yè)為主體的報廢電池回收模式一定程度上解決這兩個問題。以新能源汽車生產企業(yè)為橋梁，聯(lián)通電池生產企業(yè)、消費者、回收企業(yè)，形成閉環(huán)，將資源最大化利用，減少浪費和環(huán)境污染，同時也有利于避免動力電池設計相關技術機密泄露[3]，還可以將電池回收過程中產生的問題反饋到電池包的設計中，在設計階段開始考慮電池的回收，指導汽車企業(yè)動力電池的綠色設計。