动力电池梯次利用场景与回收技术经济性研究

贾晓峰冯乾隆陶志军王白侠

（1.中国汽车技术研究中心有限公司；2.长安大学汽车学院）

近年来，我国新能源汽车行业发展迅速，电动汽车产销量正快速增长，据统计，2016年我国新能源汽车产量达51.7万辆，销售量达50.7万辆，预计2017年全年新能源汽车销售量将达70万辆[1]。伴随着电动汽车的快速发展，车用动力电池也迎来了前所未有的高速发展期，然而受电池使用寿命的限制，未来几年将有大量动力电池报废。目前市场上销售的电池平均使用寿命约为5年，因此在2012—2014年生产的动力电池将会在2018年大范围失效。据预测，到2018年我国动力电池报废量或将达到17.5万t，出现一个小高峰，到2020年，报废量将达到20万t，累计报废量50万t，2024年前后，动力电池报废量将达到34万t，累计报废量将达到116万t[2]。因此，动力电池的梯次利用和拆解回收市场将迎来爆发式增长[3]。此外，电池回收成本是制约电池回收行业发展的关键因素，对动力电池梯次利用场景及各拆解回收工艺价值体系进行分析，成为产业市场化运作的关键[4]。

1　退役动力电池梯次利用场景分析

2016年我国梯次利用电池量不到0.15万t，即大部分废旧电池的电能未能得到充分利用。随着电网储能、低速电动车、移动电源等领域的快速发展，我国市场对退役电池的需求量巨大，据估算，若将2020年退役的动力电池充分利用，回收市场的收入将达到80～100亿元，因此我国动力电池梯次利用市场具有较好的前景[5]。

1.1　退役动力电池在通信基站领域的梯次利用经济性分析

随着我国通讯技术的快速发展，通讯基站对电池的需求量也逐年上升，而通讯基站对电池寿命和安全性又有较高要求。考虑到铅酸电池成本低，目前我国通讯基站多采用铅酸电池作为备用电源，而锂离子电池在循环寿命、能量密度、高温性能等方面具有明显优势，因此将退役磷酸铁锂电池应用在通信基站领域，将具有很大优势。

根据调研数据，目前市场上回收的磷酸铁锂电池价格随电池的性能差别很大，在4 000～10 000元/t不等。以剩余能量密度在60～90 W·h/kg且具有较高使用价值的磷酸铁锂电池为例，此类电池若要得到梯次利用，必须对回收的电池进行拆包、检测及重组处理，最终得到一致性较好的梯次电池，将电池回收费用、预处理费用、检测重组费用及人工费用加起来为10 000～16 000元/t，此类梯次电池再循环寿命约为400次。若将循环寿命为500次，能量密度为40W·h/kg，市场价格为10 000元/t的铅酸电池的性价比视为1，则具有400次循环寿命，能量密度为60 W·h/kg的梯次重组磷酸铁锂电池的性价比约为1.2，以此可得到如表1所示铅酸电池和梯次利用磷酸铁锂电池对比数据。由对比数据可知，梯次利用电池随着循环寿命的增加，性价比将得到快速增长，当梯次利用电池循环寿命大于400次时，开始产生较大盈利。

表1　铅酸电池与梯次利用磷酸铁锂电池在储能方面对比数据

1.2　退役动力电池在低速电动车领域的梯次利用经济性分析

近年来，我国低速车领域也发展迅速，2016年低速车新增150万辆，保有量达到300万辆；三轮车新增900万辆，保有量达到6 000万辆。面对前景广阔的低速车市场，若将电动汽车上退役下来的动力电池用于低速车领域，将获得较快发展。

从2016年开始将退役电池应用于低速车领域，目前主要在快递车上得到较大发展。截至2017年9月，某国内企业共在余杭等地的210个快递点投放了1 300台低速快递车。据统计，将退役电池应用于低速车成本约650元/kW·h，收益在350元/kW·h左右，收益远远大于铅酸电池在低速车上的应用。图1示出2016年和2017年在低速车领域梯次电池实际使用情况及2018年和2019年盈利情况预测。

图1　梯次利用电池在低速电动车领域的盈利

由上述数据分析，若将退役电池合理地梯次应用于低速电动车领域，也将产生巨大利润，有很好的经济性。

2　废旧动力电池的拆解回收技术分析

动力电池的回收过程一般分为放电、拆解、粉碎、分选等预处理流程，然后分离出电池内的金属外壳、电极材料等，再将电极材料经过特定的回收工艺处理，最终筛选得到有价值的金属材料[6]。电极材料的回收工艺一般包括化学回收、物理回收和生物回收三大类，根据处理方法不同，化学回收工艺又分为湿法回收技术和火法回收技术，因生物回收技术需要在特定的环境下才能实现，目前仍处于实验室研究阶段，因此，文章主要对物理回收工艺、湿法回收工艺及火法回收工艺的工艺流程及经济性进行分析。

2.1　物理回收工艺

2.1.1物理回收工艺流程

物理方法回收技术是指将废旧动力电池内部成分，如电极活性物质、集流体和电池外壳等组分经过破碎、过筛、磁选分离、精细粉碎和分类等一系列手段，得到有价值产物，然后再进行下一步回收的过程。其物理回收工艺，如图2所示。

图2　物理方法回收工艺

2.1.2物理回收工艺经济性分析

通过对国内某动力电池物理回收企业调研，发现动力电池回收过程中，成本主要集中在原材料回收、电池拆解预处理、废水废弃物处理、人工费用等阶段，表2示出每吨废旧电池处理过程中的主要成本去向。其中废旧三元电池平均回收费用为8 900元/t，经过梯次利用之后且质量较差的磷酸铁锂电池平均回收费用为4 000 元/t。

表2　每吨废旧电池回收处理成本　元

通过调研数据，可以看出回收及拆解每吨三元电池的平均成本为13 264元，回收及拆解每吨磷酸铁锂电池的平均成本为8 364元。

动力电池内富含的大量有价金属是电池回收主要的收益来源，特别是近年来镍、钴、锰、锂等金属材料价格的上涨对动力电池拆解回收领域起到了巨大的促进作用。表3示出每吨三元材料废旧动力电池采用物理方法拆解的回收效率及得到各材料主要收益情况。

表3　三元材料电池拆解回收效率及收益

因此，每吨三元材料电池经拆解后回收有价值金属和材料的平均收益为16 728元。此外，经过调研，对磷酸铁锂电池拆解收益情况也进行了分析，废旧磷酸铁锂电池各材料拆解回收效率及收益，如表4所示。

表4　磷酸铁锂电池拆解回收效率及收益

因此，拆解每吨磷酸铁锂电池回收有价金属和材料的收益约为7 703元。

从前面分析数据可以看出，采用物理法回收每吨三元材料电池的拆解成本为13 264元，通过销售拆解后得到的有价值材料获得的收益为16 728元，因此，拆解回收每吨三元电池可盈利3 464元；而每吨磷酸铁锂电池拆解成本为8 364元，收益为7 703元，因此拆解回收每吨磷酸铁锂电池将亏损661元。

2.2　湿法回收工艺

2.2.1湿法回收工艺流程

我国大部分企业采用的拆解回收技术为湿法回收技术[7]，采用这种技术需要将废旧电池拆解预处理后溶于酸碱溶液中，萃取出部分有价值金属元素，再经过离子交换法和电沉积等手段，提取出剩余有价值金属。其工艺流程，如图3所示。

图3　湿法回收工艺流程

这种回收工艺由于工艺流程较长，且处理过程中需要加入盐酸等腐蚀性溶液，污染治理成本较高。

2.2.2湿法回收工艺经济性分析

通过调研，发现湿法回收工艺的成本主要来源于原材料回收成本、废水废弃物处理等方面，表5示出每吨废旧电池处理过程中的主要成本去向。

表5　每吨废旧电池湿法回收工艺处理成本　元

因此，湿法回收工艺每处理1 t三元电池的平均成本为14 815元，每处理1 t磷酸铁锂电池的平均成本为9 915元。

此外，采用湿法回收工艺对电池有价值材料回收的效率较高，因此收益情况也更明显。表6和表7示出采用湿法回收工艺每处理1 t三元电池和磷酸铁锂电池得到的各材料主要收益情况。

表6　三元材料电池湿法回收工艺回收效率及收益

表7　磷酸铁锂电池湿法回收工艺回收效率及收益

通过以上数据，可以得到采用湿法回收工艺回收每吨三元电池的平均收益为18 073元，回收每吨磷酸铁锂电池的平均收益为8 220元。因此，采用湿法回收工艺每回收1 t三元电池将盈利3 258元，每回收1 t磷酸铁锂电池将亏损1 695元。

2.3　火法回收工艺

2.3.1火法回收工艺流程

火法回收技术首先需要对电池进行自动放电处理，然后按电池种类进行分类，通过振动筛选和磁选分离金属外壳和电极材料部分[8]，将电极材料部分放入干电弧炉内高温处理，电极碎片中的炭和有机物将被高温燃烧掉，燃烧时会产生还原气体，对电极内金属元素具有保护作用，最终经筛选得到含有金属和金属氧化物的细粉状材料，其工艺流程，如图4所示。

图4　火法回收工艺

2.3.2火法回收工艺经济性分析

火法回收工艺因需要将预处理之后的电极材料在电弧炉内进行高温处理，且处理过程中会产生大量的废气及废渣[9]，因此，火法回收工艺的成本主要来源于原材料回收、燃料动力及废气废渣处理等方面。

表8示出每吨废旧电池处理过程中的主要成本去向。

表8　每吨废旧电池火法回收工艺处理成本　元

通过调研数据，可以看出火法回收工艺每处理1 t三元电池的平均成本为14 390元，每处理1 t磷酸铁锂电池的平均成本为9 490元。

此外，采用火法回收工艺每处理1 t三元电池和磷酸铁锂电池得到的各材料主要收益情况,如表9和表10所示。

表9　三元材料电池火法回收工艺回收效率及收益

表10　磷酸铁锂电池火法回收工艺回收效率及收益

通过以上数据，可以得到采用火法回收工艺回收每吨三元电池的平均收益为1 705元，回收每吨磷酸铁锂电池的平均收益为7 994元。因此，采用火法回收工艺每回收1 t三元电池将盈利3 015元，每回收1 t磷酸铁锂电池将亏损1 496元。

3　结论

我国动力电池回收市场还处于发展阶段，对废旧动力电池的回收程度及回收工艺尚未成熟。在退役动力电池梯次利用领域，退役磷酸铁锂电池作为梯次利用电池的主要来源，当电池循环寿命高于400次时，开始产生盈利，随着未来电池技术的成熟，动力电池的退役循环寿命必将呈现增长态势，因此，磷酸铁锂电池的梯次利用将有更广阔的盈利前景。

在报废动力电池拆解回收方面，目前三元电池的物理回收工艺具有较高的收益，而磷酸铁锂电池的拆解回收仍处于亏损状态。据预测，2020年市场上累计报废动力电池量将达50万t，按三元电池占35%，磷酸铁锂电池占65%来算，在回收效率及成本基本不变的情况下，通过拆解回收这2类动力电池，也将产生4亿元的纯利润，随着电池正极材料价格的上涨，由于湿法回收工艺具有较大的材料回收效率，因此湿法回收工艺在三元电池回收方面呈现出较大盈利潜力，而对于磷酸铁锂电池的回收，选择物理回收工艺更为合适。

将磷酸铁锂电池退役后梯次利用和拆解回收结合起来看，不难发现，磷酸铁锂电池退役后的再循环利用也处于盈利状态。随着我国新能源汽车行业的快速发展，未来将有大量动力电池退役和报废，若将这些电池充分循环利用，动力电池回收市场将具有更广阔的经济前景。