退役動力電池回收再生技術系列標準解讀

張學梅 ,吳奔奔 ,明幫來 ,梁裕鏗

(1.廣東邦普循環科技有限公司,廣東 佛山 528137;2.廣東省電池循環利用企業重點實驗室,廣東 佛山 528137)

2021 年,全球電動汽車銷量達到660 萬輛,中國新能源汽車銷量占比超過了50%;全球電動汽車電池的裝機量達到296.8 GW·h,中國動力電池的裝機量為154.5 GW·h[1]。

中國從2009 年啟動“十城千輛”工程,截至2021 年底,全國新能源汽車保有量達784 萬輛,按動力電池平均壽命5～8 a 計算,預計到2030 年,退役動力電池的質量將有2.373×106t[2]。電池中含有戰略性金屬鎳、鈷和鋰等,為規避國內原生礦產短缺和遭國外資源“卡脖子”的問題,踐行綠色、低碳發展的理念,從產品全生命周期考慮,動力電池退役后應遵循先梯次利用、后資源再生利用的原則,充分發揮剩余價值。這需要各環節有相應的技術標準提供指導[3]。為推動廢舊電池再生利用產業鏈的快速發展,國家陸續出臺了相關政策,如2021 年財政部、稅務總局公告40 號文《關于完善資源綜合利用增值稅政策的公告》[4],擴大了動力電池再生利用技術及產品的支持范圍,為再生利用企業減輕負擔。

為指導再生利用企業開展安全、環保、科學、高效的資源回收,國家標準化管理委員會要求加強廢舊動力電池回收標準體系的構建。為此,全國汽車標準化技術委員會成立了車用動力電池回收利用標準工作組,負責系列標準的研究制定工作。本文作者通過對車用退役動力電池回收再生技術系列標準進行解讀,明確再生利用環節各階段的回收技術要點,為研究者提供技術指導。

1 制定背景

作為全球最大的電子產品生產和消費國,我國早在2003年就發布了針對廢電池分類、收集、運輸、綜合利用、貯存和處理處置等全過程的《廢電池污染防治技術政策》[5],重點控制含汞廢電池、鎘鎳廢電池和廢鉛酸電池等的污染。2016年12 月發布的修訂版技術政策[6],將國內常用的鋰離子電池納入文件中,也對廢舊電池的收集、運輸、貯存、利用與處置過程中的污染防治給出了指導性意見。

2006 年,為了推動國內汽車產品報廢回收制度的建立,開展汽車產品的設計、制造和報廢、回收、再利用等工作,發改委、科技部和原國家環?？偩致摵习l布《汽車產品回收利用技術政策》[7],規定由整車廠負責回收、處理銷售的動力電池。2016 年1 月,發改委等五部委發布《電動汽車動力蓄電池回收利用技術政策》[8],針對回收利用環節的收集、轉移、貯存、運輸、拆卸、放電、拆解、熱解、破碎分選和冶煉等提出規范要求,指出相關責任主體要分別承擔回收責任。

2018 年1 月,工信部聯合多部委印發《新能源汽車動力蓄電池回收利用管理暫行辦法》[9],鼓勵企業遵照“先梯次、后再生”的原則,對廢舊動力電池開展多層次、多用途的利用。

要保障國家政策的落地實施,需配套標準的政策支撐。為此,工信部近年來陸續發布新能源汽車標準化工作要點[10-14],明確加強動力電池回收利用相關標準的研制工作。

2 標準解讀

2.1 標準體系

車用動力電池回收利用系列標準由全國汽車標準化技術委員會(SAC/TC 114)歸口[15],由“車用動力電池回收利用標準工作組”研制。該系列標準包括通用要求、管理規范、梯次利用、再生利用、溫室氣體、綠色生產和安全生產等。

截至2021 年底,已發布標準9 項,在研標準2 項,標準清單見表1。

表1 發布和在研的車用動力電池回收利用標準清單Table 1 List of standards released and under research for recycling of vehicle power batteries

2.2 車用動力電池回收利用流程

新能源汽車的廢舊動力電池按GB/T 34015.2—2020[20]的要求進行拆卸,遵照2018 年工信部發布的38 號公告《新能源汽車動力蓄電池回收利用溯源管理暫行規定》[27],采集廢舊動力電池的相關信息,錄入“新能源汽車國家監測與動力蓄電池回收利用溯源綜合管理”平臺。在保證安全的前提下,退役動力電池優先開展梯次利用,不能梯次利用的退役動力電池或廢舊動力電池以及梯次利用產品報廢后的電池,進行資源再生利用。

廢舊動力電池回收利用流程見圖1。

圖1 廢舊動力電池回收利用流程圖Fig.1 Flow chart of retired power battery recycling

2.3 再生利用環節標準技術要求

2.3.1 GB/T 33598.3—2021[25]解讀

進入再生利用環節的廢舊動力電池可以是包、模塊或單體形態,報廢的狀態各不相同,有破損或彎曲、膨脹的可能。廢舊動力電池的形態、狀態將決定放電工藝的選擇。GB/T 33598.3—2021 規定了放電前,通過外觀、電壓和絕緣電阻的檢測結果,評估選用外接電路放電法或浸泡放電法的標準。

外接電路放電法工藝環保、無污染,但只有符合特定條件的廢舊動力電池適用。特定條件包括外部結構完整、功能完好,無冒煙、過火、漏電、漏液、浸水、短路現象,絕緣良好,能連接放電設備,可讀取或檢測到標稱電壓和電容等。

浸泡放電法的優點是適用于任何狀態的廢舊動力電池;缺點是放電時間長,放電過程會產生廢水和廢氣,存在環境污染的風險。由于浸泡放電法的原理是利用溶液導電消耗剩余電量,放電過程中,溶液會對金屬外殼或金屬零部件造成腐蝕。建議電池包、模塊優先按照GB/T 33598—2017 的要求拆解成單體,再進行放電。

2.3.2 GB/T 33598—2017[23]解讀

當廢舊動力電池的剩余電壓在安全范圍內時,電池包和模塊按照GB/T 33598—2017 規定的要求進行拆解,針對不同形態的廢舊動力電池,拆解要求存在差異。

相同點:電池包和模塊的拆解需要采用專業起吊工具和設備,在專用的工裝臺上進行拆解作業。拆解的第一步都是對外殼進行拆除,外殼的組合方式目前均為螺栓式組合連接、金屬焊接或塑封式連接、嵌入式連接,外殼拆除后再進行內部件的拆解。為防止短路起火,在拆解過程中均要做好絕緣防護,避免金屬部件與高低壓連接插件接觸。

不同點:電池包由不同的模塊或單體及電池管理系統、高壓安全盒等功能部件組合形成,為防止位置偏移,會使用托架、隔板等輔助固定部件。外殼拆除后,首先要拆除輔助固定部件,再拆除功能部件,最后移出模塊或者單體。模塊由單體、導線等連接部件組成,因此拆除模塊外殼后,優先分離連接部件,再分離出單體。

2.3.3 QC/T 1156—2021[26]解讀

單體電池的拆解可按照企業實際工藝情況,制定拆解作業指導書進行,也可參照QC/T 1156—2021 規定的要求和流程進行。選擇單體拆解工藝的關鍵是在保證安全性、環保性的基礎上,提高資源回收效率。

安全性:若拆解企業具備帶電處理技術,可在保證安全的前提下不放電拆解;不具備帶電處理技術或帶電技術不成熟的企業,在拆解前一定要進行電壓測試,不在安全電壓范圍內的單體電池需進行放電處理,直到符合拆解條件為止。

環保性:單體電池拆解過程中會產生廢氣和電解液、固體廢物,如隔膜、外殼、正負極集流體等。為防止二次污染,要做好“三廢”的搜集和固體廢物的貯存。

資源回收效率:確保單體拆解的效率和資源回收情況,提出多項可量化指標,如卷芯脫出率不低于97%,電極材料粉料中正極活性物質的綜合回收率不低于98%,雜質(Cu+Al)的質量分數不高于1%。

2.3.4 GB/T 33598.2—2020[24]解讀

單體拆解所得的含有正極活性物質的電極材料,按GB/T 33598.2—2020 的要求添加至浸出溶液(一般為硫酸+雙氧水)中,通過控制固液比、反應溫度等條件,在攪拌中充分反應,最大限度地提高有價金屬離子鎳、鈷、錳和鋰的浸出率。在不引入多余雜質和盡可能降低鎳、鈷、錳及鋰元素損失的基礎上,利用沉淀、萃取除雜相結合的方法去除雜質,得到含鎳、鈷和錳的純化液及鋰純化液。GB/T 33598.2—2020 提出鎳、鈷和錳的綜合回收率不低于98%、鋰回收率不低于85%等量化指標,用以衡量企業濕法冶煉工藝的成熟度。

可通過調節金屬配比,制備鎳鈷錳氫氧化物;鋰純化液經沉淀、結晶等工序,可制備鋰鹽(如碳酸鋰、氫氧化鋰);高溫燒結鎳鈷錳氫氧化物與鋰鹽,可制備動力電池正極材料。再生利用環節生產的產品質量可根據類型,參照國家/行業標準執行,如YS/T 582—2013《電池級碳酸鋰》[28]、GB/T 26008—2020《電池級單水氫氧化鋰》[29]、GB/T 26300—2020《鎳鈷錳三元素復合氫氧化物》[30]、YS/T 1087—2015《摻雜型鎳鈷錳三元素復合氫氧化物》[31]、YS/T 798—2012《鎳鈷錳酸鋰》[32]和YS/T 1448—2021《包覆型鎳鈷錳酸鋰》[33]等。

3 結論

以廢舊動力電池為原料,經過再生利用工藝,回收有價金屬資源,定向制備動力電池正極材料,形成閉路循環。該定向循環工藝相比其他回收工藝存在明顯的優勢:

當市場報廢的動力電池量足夠大時,通過定向循環技術可以降低對國外礦產資源的依賴,保障供應鏈安全,為新能源汽車產業綠色可持續發展提供助力。

減少中間環節單一產品的輸出,可避免金屬分離,縮短工藝流程,減少設備設施、輔料的投入,降低生產成本,使產品具有市場競爭力。

退役車用動力電池再生利用系列標準的發布和實施,能夠為進入電池回收利用行業的企業提供技術參考。