三种主要动力电池的循环利用及环境保护

任璐

摘   要：随着中国经济近几十年来的高速发展，动力电池最近十几年来在我国迎来了井喷式的发展。其中，铅酸电池、磷酸铁锂电池和三元锂电池因其各自的突出特点在我国动力电池市场上占有主导地位。动力电池均有使用年限，电池报废后的循环利用和环保问题是一个绕不过去的话题，本文在对这三类电池进行分析后，希望国家能对各类电池分类管理，因势利导，发挥综合效益，促进节能环保，使我国电池管理进入良性循环。

关键词：铅酸电池  磷酸铁锂电池  三元锂电池  循环利用  节能环保

中图分类号：TM912.4                          文献标识码：A                             文章编号：1674-098X（2019）07（a）-0091-02

随着中国经济近几十年来的高速发展，动力电池最近十几年来在我国迎来了井喷式的发展。最先发展起来的便是始于19世纪晚期发明的铅酸电池，铅酸电池结构简单，性能稳定，安全性高，且生产成本低，技术门槛低，极大了满足了中国老百姓对物美价廉动力电池的需求。在我国，铅酸电池的产量逐年稳步提升，到2018年，我国金属铅的产量为462万t，早已成为全球最大的铅酸蓄电池生产国和出口国。铅酸蓄电池一般2年左右报废。如何将报废后的铅酸电池循环利用就成了一个关系经济效益和环境治理的重大问题。

磷酸铁锂电池作为国家十五计划的重点科研项目，技术在5年前成熟，加之前几年国家对新能源汽车的大幅补贴，让磷酸铁锂电池最近几年赢来了爆发式的增长。磷酸铁锂电池循环使用次数约为2000次左右，按照电动汽车正常的使用强度估算，磷酸铁锂电池在汽车上大约能使用5年左右的时间。三元锂电池由于能量密度最高，已经开始在小型乘用电动车领域大规模使用，大有替代磷酸铁锂电池的趋势。三元锂电池的循环使用寿命与磷酸铁锂循环使用寿命大体相当，5年左右报废。随着以后电动轿车大规模进入寻常百姓家，锂电池的循环利用问题也将成为一个关系经济效益和环境治理的重大问题。

1  铅酸电池

1.1 铅酸电池特性

铅酸电池结构简单，主要由板栅，铅膏，电解液和外壳组成。其成分组成见表1。

铅酸电池的优点是可靠性好，成本低、瞬间输出功率大、使用安全、不容易损坏，在储能电源、起动电源、车载电源等领域仍然应用广泛;铅酸电池的缺点是能量密度低，为40Wh/kg，续航里程短，不适用于高速电动车。铅酸电池的另一个缺点是循环使用寿命短，约为500次，正常使用条件下，两年时间不到便报废。

铅酸蓄电池存在的特点决定了它在高速电动车领域没有使用空间，但在电动自行车、老年代步车、启动电源、储能电源等领域仍占主导地位。

1.2 铅酸电池回收现状

铅酸电池结构简单，回收简单，且技术含量不高。手工作坊只需要一把锤子，一口锅就可以回收铅酸电池。具体过程：先用锤子将铅酸电池砸破，将里面的酸液倒掉，然后将铅酸电池中的铅板取出。由于铅的熔点低，放在锅里加热便会熔解，随后将融化后的铅水做成铅碇。至此，铅酸电池的回收就完成了。如今这种手工作坊式的回收方法已经形成了一条成熟完整的产业链，效率高，收益高。酸液的随地倾倒，以及铅酸电池处理过程中产生的大量废弃物，造成了严重的铅、酸污染。

正规的铅酸电池回收企业处理方式与手工作坊方式类似，区别在于，对于铅酸电池中的酸液不会随地倾倒，而是专门建有酸液处理池，将酸液处理成中性水之后再排出。固体废弃物也是经过处理后再回收利用，最大限度的减少了铅、酸污染。正规铅酸企业虽然环境污染小，电池回收利用率高，但是生产成本也高出一大截，无法与手工作坊企业竞争。在回收市场上，正规铅酸回收企业由于生产成本高，只能压低废旧铅酸电池的回收价格;与此同时，手工作坊式回收企业由于生产成本低，便可以提高废旧铅酸电池的回收价格。消费者自然会选择愿意出高价回收手工作坊企业。在铅酸电池领域就形成了“劣币驱逐良币”的现象。

这种情况如何破解？一是推行生產者责任延伸制度，其核心是通过引导产品生产者承担产品废弃后的回收和资源化利用责任，激励生产者推行产品源头控制、绿色生产，从而在产品全生命周期中最大限度提升资源利用效率;二是加大政府打击力度，各部门齐抓共管形成合力打击黑作坊;三是政府对正规回收企业补贴，提高企业回收废旧电池的收购价格，返利消费者。

2  磷酸铁锂电池

2.1 磷酸铁锂电池特性

磷酸铁锂电池正极材料由橄榄石结构的LiFePO4组成，负极由石墨组成，中间是聚烯烃 PP/PE/PP 隔膜，用于隔离正负极、阻止电子而允许锂离子通过。与三元锂等其他的动力电池材料比较，磷酸铁锂电池有几大特点：（1）LiFePO4的原物料主要为碳酸锂和铁，其资源分布广泛，价格低廉且无环境污染;（2）磷酸铁锂电池安全性能良好，在高温、高压、潮湿、挤压及穿刺等恶劣条件下均保持了较高的安全性。（3）技术成熟，我国在十五期间将其列为重点科技攻关项目，在此期间，磷酸铁锂电池的多项关键技术均已取得突破。目前，磷酸铁锂电池技术早已成熟，为我国多家大企业所掌握。

正是由于磷酸铁锂电池的以上优点，使其前几年在我国发展迅猛。目前我国在用的新能源汽车里，以磷酸铁锂为动力电池的新能源汽车占比一直在50%以上，其在新能源商务车中的占比更是超过80%以上。但是，随着新能源汽车最近几年在我国的高速发展，磷酸铁锂电池的弊端也在显现，能量密度不够！目前，磷酸铁锂电池的能量密度发展到140Wh/kg已到极限，无法突破。目前，我国主要的电池厂商均在往三元锂电池方向转型。

2.2 磷酸铁锂电池回收现状

磷酸铁锂电池的循环使用寿命为2000次左右，在正常使用条件下，可使用5年左右。此时磷酸铁锂电池容量已低于80%，不能满足汽车正常行驶时对电池容量的要求，而电池容量又高于60%，能够应用于电池容量要求不高的领域[1]，从而形成磷酸铁锂电池的梯次利用。

我国前几年加大对新能源汽车的补贴，使动力电池领域迎来了大發展，新能源汽车的保有量不断增加。然而受电池使用寿命的限制，在2012—2014年之间生产的动力电池将会在2018年大范围失效。磷酸铁锂电池容量衰减到80%后，便不适用于在新能源汽车上使用，但仍可在对能量密度要求不高的场景下使用，有较高梯次利用价值。其中，低速电动车和铁塔基站等行业有较大的需求。当磷酸铁锂电池容量进一步衰减到50%后，其使用价值趋近于零，可对其进行拆卸回收。但是由于磷酸铁锂电池中不含贵金属，其回收利用价值不高，除去人工、设备、能源等成本，拆解回收磷酸铁锂电池将会导致少量亏损。

由于磷酸铁锂电池组成较铅酸电池复杂，其拆解回收工艺更为复杂。普通手工作坊不具备拆解回收能力，磷酸铁锂电池的回收是一项赔本的买卖。该回收领域只有几家大企业，且积极性不高，没有小企业愿意涉足。好的方面是，磷酸铁锂电池因为本身没有重金属，对环境几乎无污染，所以不回收，也不会污染环境。

3 三元锂电池

3.1 三元锂电池特性

最初的三元锂电池正极材料由层状结构的Li-Ni-Co-Mn-O材料组成，随着电池技术的不断发展，有些厂商在三元材料里用Al来替代Mn。与磷酸铁锂电池相比，三元锂电池不仅价格昂贵，且性能不稳定。但是这些缺点均不能掩盖三元锂电池能量密度高的优点。理论上三元锂电池的能量密度可达到300Wh/kg，目前，已经面世的三元锂电池的能量密度可达到220 Wh/kg，为磷酸铁锂电池的两倍。

由于磷酸铁锂电池的能力密度已经到达极限，而三元锂电池的能量密度很高，近年来，国内各大电池厂均集中力量突破三元锂电池存在的各种技术难关。磷酸铁锂时代的里程焦虑问题，在三元锂时代基本上得到了解决。现在，新售的新能源轿车多数采用能量密度更高的三元锂电池。宁德时代、比亚迪等几家大厂生产的三元锂电池动力模块均能满足各项性能指标，安全高效地在新能源汽车上使用。

3.2 三元锂电池回收现状

三元锂电池的理论循环使用寿命与磷酸铁锂电池类似，为2000次左右。不同于磷酸铁锂电池，三元锂电池在2000次循环寿命完成后，电池容量迅速衰减，没有梯次利用价值。所以，三元锂电池在正常使用5年后就基本报废。三元锂电池中含有大量稀有元素。近年来，钴、镍、锰、锂等金属材料的价格逐年水涨船高。其中钴的价格在2019年4月为27万元/t。所以，三元锂电池报废回收具有较高经济收益。

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[2]。目前，主流电极材料的回收工艺有物理回收工艺、湿法回收工艺和火法回收工艺。三种工艺有一个共同点：需要昂贵的设备、复杂的技术和巨额的资金投入才能完成。

近2年大量使用的三元锂电池还没有到集中报废的时间，三元锂电池的回收量不大，中小电池回收企业对高额的投入望而却步，只有少数几家大厂在该领域进行回收。大企业响应国家号召，重视节能环保，目前，三元锂电池的回收利用、节能环保还处在良性循环上。再过几年，随着三元锂电池大规模的报废，提前布局的企业将取得先发优势，三元锂电池回收的江湖还处于早期，未来如何发展，我们拭目以待。

以上三种电池为我国目前广泛使用的三种动力电池。铅酸电池技术落后，污染大，但是因为技术门槛低、价格便宜、性能稳定，在我国动力电池市场上始终占有一席之地。磷酸铁锂电池技术成熟，综合性能好，环境友好，虽然能量密度不如三元锂电池，但是比铅酸电池要好不少，期待未来几年能逐步取代铅酸电池。三元锂电池能量密度高，各项综合性能达标，是以后动力电池的发展趋势，随着以后三元锂电池的大发展，我们期待对三元锂电池的回收更节能更环保。也期待国家能对各类电池分类管理，因势利导，发挥综合效益，促进节能环保，使我国电池管理进入良性循环。

参考文献

[1] 朱广燕，刘三兵，海滨，等. 动力电池回收及梯次利用研究现状[J] . 电源技术，2015，39（7）：1564-1566 .

[2] 卢强. 电动汽车动力电池全生命周期分析与评价[D] . 吉林大学，2014 .