新能源汽车废旧动力电池回收浅析

王建海　连鑫　宋瑞

摘 要：锂离子动力电池的回收利用是新能源汽车发展过程中无法回避的问题。本文简单分析了目前退役锂离子电池回收利用的处理方式，同时回顾了国内外锂离子电池回收利用的现状，提出了中国锂离子电池回收产业将会呈现以电池生产商、行业联盟和专业第三方回收公司为主流的商业模式。

关键词：锂离子电池 回收 环保

Analysis on the Recycling of Waste Power Batteries of New Energy Vehicles

Wang Jianhai Lian Xin Song Rui

Abstract：The recycling of lithium-ion power batteries is an unavoidable problem in the development of new energy vehicles. This article briefly analyzes the current recycling and utilization of decommissioned lithium-ion batteries. At the same time， it reviews the current status of domestic and foreign lithium-ion battery recycling. It is proposed that Chinas lithium-ion battery recycling industry will be represented by battery manufacturers， industry alliances and professional third parties. Recycling companies are the mainstream business model.

Key words：Lithium-ion battery， recycling， environmental protection

1 前言

能源是社會发展的重要推动力，人类社会的进化史可以归结为能源的发展史。能源变革促进社会生产力的飞跃，传统化石燃料大大加快了人类社会步入工业化的进程，创造了巨大的社会财富。但与此同时，能源过度消耗导致的能源危机以及传统化石燃料在能源消耗过程中产生了一系列生态问题（如温室效应、大气污染、酸雨等）[1]。在日益增长的能源需求下，如何保证能源的持续供给且不再加重生态系统的负担是一个亟待解决的问题，这也是后石油时代全球面临的共同问题。为了维持社会的繁荣及可持续发展，开发新型清洁、绿色、可再生的替代能源成为人们的必然选择，同时新能源革命也是解决空气污染、能源危机及全球气候变暖的必经之路。

目前，人们主要关注于自然能源（如太阳能、风能、潮汐能等）的使用及利用率，即通过一定的技术手段对此类型能源加以开发利用，在用电低谷期完成高效存储，并在用电高峰期进行供电补偿，以此来缓解传统化石燃料带来的环境污染等问题。但自然能源因自身的局限性（如间歇性、不稳定及分布不均等）并未得到有效利用，高效的能量储存系统是充分利用自然能源的必要条件。而目前，世界上绝大比例的能量（约98%）仍是依靠水力蓄能的方式进行存储，根据水力蓄能的效率，将1立方的水提升1米的高度仅能得到约3Wh的能量[2]。考虑到能量存储系统的成本、适应性、易用性等因素，开发出一种高效的能量储存系统是实现清洁能源稳定、可靠使用的关键。

电池是一种将化学能与电能相互转换的装置，在现有的能量储存系统中占有极其重要的地位。作为电化学储能的典型代表，锂离子电池因能量密度高、循环寿命长、环境适应性强等优点在能力储存领域中扮演着重要角色。自1991年索尼公司推出商品化的锂离子电池后，锂离子电池凭借其高能量密度、便携性等突出优势迅速渗透于我们的日常生活中。近年来，在绿色清洁能源的需求驱动下，锂离子电池从最初作为3C电子产品电源向更多能量存储领域延伸，如新能源汽车、大型储能电站等。在全球新能源汽车战略的实施驱动下，新能源汽车（纯电动汽车、插电式混合动力汽车）市场保有量由2016年的200万辆上升至2017年的300万辆，并仍以较高的速度增长。预计到2025年，全球新能源汽车的保有量将达2000万辆左右[3-5]。如此大的新能源汽车市场意味着巨大的锂离子电池市场规模，与此同时，当大量锂离子电池寿命终止时，如何有效地处置退役电池也是我们必须要考虑的一个问题。如果随意地丢弃或者进行简单的填埋处理，将会再次对生态环境造成严重的伤害，同时也是对资源的巨大浪费。这是因为废弃的锂离子电池中含有钴、镍、锰和含氟化合物以及有机溶剂等会给环境造成严重污染，其中钴元素广泛应用于军事及工业中，具有极其重要的战略地位。巨大的钴源消耗量也导致钴价的飞涨，同时，作为锂离子电池生产中的基本元素—锂，锂源（以Li2CO3为例）的价格在过去的十年中也涨了近三倍[6]。

废旧电池中锂的含量约为2—7wt%，远远高于锂矿中的含锂量，据相关研究预算，从28t废旧电池中即可提取1t的锂，而如果从锂矿中提取1t锂则至少需要250t的锂矿[2]。同样地，废旧电池中也含有大量的贵金属，通过对废旧退役电池进行批量回收处理，不仅可以缓解其对生态环境造成的压力，更是具有相当可观的经济效益。按照全球推进新能源汽车的进程，规模化退役高潮即将来临，就新能源汽车而言，锂离子动力电池的寿命约为5—8年，按照目前回收的综合效益计算，锂离子电池回收价值为0.3元/瓦时，预计2020年理论报废量将达到37GWh，其回收市场规模将达百亿元级别。作为构筑产业链闭环的关键，锂离子电池回收兼具环保性和经济性，具有巨大的发展空间。

2 退役锂离子电池处理方法

目前，针对废旧动力锂离子电池的处理方式主要有三种：重新制造、重新利用、回收[7]。重新制造与重新利用是从延长电池的使用期限、尽可能的扩大锂离子电池的使用范围来实现经济，而回收则是直接进行元素回收来实现经济性，进而实现整个产业链的闭环。

重新制造是指对应用于电动汽车中的动力电池包中少数性能不达标的单体或模组进行替换，使重组后的电池包满足车用电池包所规定的SOC、SOH、功率、能量、循环寿命等指标，继续布署于原始应用中。根据美国高级电池协会（USABC）的规定，当电池模块或电池包的功率小于其原始额定值的80%时，将不再满足电动汽车的使用要求。然而，在对电池组的实际检查过程中发现电池包失效往往是由于内部的少数单体或者模组出现了问题，大部分的电池模组还处于正常状态，只需要对失效的模组或单体进行更换就能继续发挥其价值。据相关成本效益分析，相比于更换全新的电池包，采用重新制造的电池包约节省40%的成本[8]。但重新制造对电池包的质量及指标要求十分严格，同时需要先进的诊断技术做保障。

重新利用，又名梯次利用，是指动力电池不再满足电动汽车的使用规定时，转向对电池包性能要求不高的领域（如备用电源、储能电站等）继续发挥电池包的剩余价值，以实现价值的最大化。同样地，重新利用也会涉及到电池的检测诊断、电池包的拆解重组和系统集成以及构建新的电池管理系统（BMS）。但目前由于各制造商采用不同规格的单体及模组、不同的pack技术甚至不兼容、不开放的电池管理系统，都对电池重新利用中的分级与重组整合造成很大的阻碍。因此，高效的自动化拆解、模组的快速筛选分级、先进的BMS管理系统是重新利用的关键技术。总结全球各国在动力电池重新利用的经验，建立一套可溯源的大数据平台可有效推进电池的重新利用，该大数据平台应包括：（1）电芯研发生产数据库，（2）电池包研发生产数据库，（3）电池包车载运行监控数据库。通过这三个数据库实现对电芯来料、生产、pack技术、以及运行状态等全方位监控。目前，动力电池生产制造商和整车厂商在信息获取方面具有“先天优势”，同时具备渠道优势，能够以较低成本促进动力电池的快速流转。

回收，是指采取一定的方式对退役失效电池中的有价值元素重新富集，同时对有害物质进行处理的过程。不同于重新制造和重新利用，回收对待处理的动力电池的性能参数以及成组方式无任何特殊要求。作为动力电池最终的处理手段，回收利用主要包括两个过程：（1）退役电池的预处理，包括分类、剩余电量放电及拆解、粉碎，其中放电主要是将废旧电池放置于氯化钠溶液中进行;（2）后续处理，包括回收拆解后各类废料中的高价值组分，开展电池材料的修复或再造。目前，主要的回收方法包括：干法回收工艺、湿法回收工艺、生物回收工艺等，其中干法回收与湿法回收是目前企业主流的回收工艺。但由于当前市场上锂离子动力电池的体系的多样性，就正极材料而言，主要有钴酸锂系列（Li2CO3）、磷酸铁锂系列（LiFePO4）、锰酸锂系列（LiMn2O4）、三元材料系列（LiNixMnyCozO2，LiNixCoyAlzO2，其中x+y+z=1）。不同的電池组分以及pack方式均对电池的回收造成一定的阻碍，且随着目前锂离子电池逐步转向高镍低钴的工艺，甚至是无钴的电池体系，对现有的以钴元素回收为主的商业模式提出了很大的挑战，后续仍然需要改善回收工艺，实现对电池材料的全面回收以挖掘更多的利润。以上三种对退役锂离子电池的回收处理方案，从价值最大化的角度来看，针对规模化的退役锂离子电池，首先进行重新制造或者重新利用，最后再进入回收阶段是最为理想的解决方案[9]-[10];但从整个生态系统循环的角度来看，回收可以使有价值的元素迅速返回价值链进行再生产，可以缓解对现有资源的开发压力。

3 国内外回收退役锂离子电池现状

3.1 国外发展现状

国外发达国家在动力电池回收利用方面，主要有以下几个模式：

（1）日本。早在电动汽车推广之前，日本就前瞻性地布局了动力电池的回收利用。在2000年，就建立了“动力电池生产—销售—回收—再生处理”回收体系，并明确电池生产企业为回收主体，通过汽车经销商、加油站、零售商等主要渠道进行废旧电池回收。在2018年，以丰田、本田等多家汽车厂商以联盟的形式共同推进电动汽车用退役动力电池的回收，该模式是由汽车拆卸网点将退役电池拆解出来，就近转到回收利用工厂进行回收处理，汽车生产厂商对回收利用企业进行一定的补贴。

（2）美国。美国向来重视环境管理方面的工作，针对废旧退役电池的流通环节有着严格的技术规范，同时实行生产者责任延伸制度和押金制度。如在动力电池出售时以附加环境费的方式对消费者收取一定的费用，作为动力电池回收利用资金的支持，同时在动力电池企业卖出提纯的回收原材料时给予一定的价格保障，保证电池回收企业的利润，由此促进电池回收利用的发展。

（3）欧盟。欧盟国家从2008年开始强制推行退役动力电池回收，并指明由电池生产产商承担回收费用。德国在电池回收利用方面做的最为成熟，目前已经建立了完善的回收利用体系的法律制度，对电池生产商和经销商采取严格地登记，同时规定经销商配合生产企业进行退役电池回收，消费者也具有提交退役电池至指定回收商的法定义务。

3.2 国内发展现状

目前，国内参与锂电退役电池回收的企业众多，不仅包括电池产业链的上游原材料生产企业，也包括产业链的中游电池制造企业以及独立的第三方回收公司，但主要的回收模式有三种：一是以动力电池生产商为主的回收模式，典型代表为宁德时代。宁德时代作为锂离子动力电池生产的龙头企业，通过收购邦普集团股份，形成了“生产-销售-回收—生产”的循环模式，邦普在电池回收领域一直处于国内领先水平，其自主研发的模组、单体拆解装备30000套，年处理废旧电池总量超20000吨，回收规模及资源循环产能已跃居亚洲首位，其“逆向产品定位设计”技术解决了回收领域“废料还原”的难题，同时也掌握了与原料对接的“定向循环”核心技术。二是汽车生产商以联盟的形式自建回收体系，用以回收旗下所售的退役动力电池，典型代表为北汽新能源。北汽新能源的“擎天柱计划”则专注于退役电池的梯次利用，实现新能源汽车、动力电池、光伏发电储能等深度融合，进而实现动力电池价值的最大化利用。三是由专业的第三方回收企业进行回收，典型代表为天奇股份。其通过控股深圳乾泰能源再生技术有限公司和完成对金泰阁的收购，掌握动力电池拆解回收的核心技术，同时与国内新能源汽车企业稳定合作，大举进入锂电回收领域，布局新能源汽车动力电池回收。

4 总结

借鉴海外发达国家（如日本、美国、欧盟等）在废旧锂离子电池回收利用发展可以发现，未来锂电回收产业会呈现以电池生产商、行业联盟和专业第三方为主流的商业模式。同时，健全的法律法规和完善的回收体系是电池回收利用的关键，利用法律的强制性约束动力电池产业链上的各相关主体，充分实施生产者承担主要责任、相关主体配合回收的模式，同时在关键环节方面辅以政策支持与补贴。

参考文献：

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[2]Larcher D.，Tarascon J.M. Towards greener and more sustainable batteries for electrical energy storage[J]. Nat Chem. 2015;7（1）：19-29.

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[4]Global Plug-in Vehicle Sales for 2017-Final Results， http：// www.ev-volumes.com/ country/ total-world-plug-in-vehicle-volumes/，accessed Feb 10，2018.

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[6]Shanghai Metals Market New Energy Division Home Page，https：//price.metal.com/prices/new-energy，accessed June 1，2018.

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[8]Foster，M.，Isely，P.，Hasan，M.M.et al. Feasibility assessment of remanufacturing，repurposing，and recycling of end of vehicle application lithium-ion batteries[J]. J. Ind. Eng. Manag.2014，7，698-715.

[9]Bocken，N.M.P.，de Pauw，I.，Bakker，C.，et al. Product design and business model strategies for a circular economy[J] J. Ind. Prod. Eng.，2016，33，308-320.

[10]Olsson，L.，Fallahi，S.，Schnurr，M. et al. Circle business models for extended EV battery life[J]，Btteries，2018，4，57.

本文受“廣东省重点领域研发计划”资金资助，项目号：2020B090919004”，资金英文名称为“Key-Area Research and Development Program of Guangdong Province”