电动汽车废旧锂电池的回收系统研究＊

田扬烨，赵军静

（武汉工程大学，湖北 武汉430205）

1 面向环境的设计制造基本内涵

面向环境设计制造的基本内涵为：①产品和环境的友好性，即产品—生产—使用—废弃—回收处理，各个阶段对环境无害或危害极小。要求企业在生产过程中选用环保可降解的原材料，使用清洁的能源和工艺制造；报废产品回收处理时产生的废弃物少。②最低限度地使用不可再生的材料资源；绿色产品应尽量减少不可再生材料的使用，尽量避免使用有害、有毒材料。③最大限度节约能源；绿色产品在生命周期的各个阶段所消耗的能源应降到最低，尽可能采用对环境无危害的清洁能源，产品在使用过程中的能源消耗尽可能地降到最低。

2 电动汽车发展现状及存在的问题

2.1 电动汽车的发展现状

早在1881年，世界上第一辆电动汽车就已经诞生，当时的电动汽车采用了铅酸蓄电池作为动力单元，由于续航里程只有16 km，加上当时汽车行业技术水平和制造能力落后，电动车的续航又不能满足人们的需求，导致电动汽车行业在很长的一段时间里发展缓慢。进入21世纪后，电动汽车在全球提倡绿色经济发展的时代背景下迎来了契机，并快速得到发展，各大汽车生产厂家和电池制造商都加大了对电动汽车的研究，电池技术、电机驱动技术、能量管理系统及能量回收系统等技术的研发周期得到快速提升。目前，中国、美国、欧盟及日本是世界上生产和销售电动汽车最多的国家和地区，同时各大电动汽车生产厂家形成相互竞争的关系，优化了管理和服务意识的规范化，提升电动汽车的可靠性，为市场迎来更多的客户。

中国政府对锂离子电池的发展持肯定的态度，并通过购车补贴等方式支持电动汽车的发展。《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》《国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》《国务院关于加快培养和发展战略性新兴产业的决定》和《汽车产业调整和振兴规划》中均明确表示要发展新能源车和动力电池。2017—2018年全球新能源汽车销售情况如图1所示。

2.2 电动汽车大致分为三类

纯电动汽车：纯电动汽车通过电池作为能源来保证电动汽车的续航，驱动电机是电动汽车的动力核心。纯电动汽车没有直接排放尾气对自然环境造成污染，且电力能源的利用率高。其缺点是新电池技术的研发成本高，制造成本前期很难降下来，发展的时间较短，还没有得到质量和可靠性的保证。

混合动力汽车：混合动力汽车拥有两套动力单元，一套是传统的化石燃料动力单元，一套是新电池技术下的电力驱动，两种动力相互使用；相对传统的化石燃料汽车，油耗明显降低，能够有效节约资源；相对纯电动汽车，在汽车行驶过程中，如果电能不足，可以利用化石燃料来补充动力，在能量回收系统的帮助下，电池可以通过转换装置补充电量，减少电池的充电次数，提高电池寿命。目前，在全球范围内，混合动力电动汽车的技术比较成熟，通过政策的影响，很多国家计划在2025年内取消纯内燃机汽车的制造，未来将会朝着更清洁的燃料电池汽车方向发展。

燃料电池汽车：通过化学反应产生能量作为汽车的动力，能量转化效率高，零排放，具有可持续发展的优势，对环境的影响极小，是汽车最理想的动力获取方式。其缺点是，燃料对汽油的供应管有一定的腐蚀。充电服务设施标准规范的实施，为电动汽车的运营提供了保障。政府对购车实行优惠补贴，并对电动汽车的保险、养路费都实行了一定的优惠。

2.3 电动汽车存在的问题

目前电动汽车充满一次电的续航里程绝大多数在400 km左右，其续航能力普遍小于传统燃油车的续航能力。电动汽车和充电桩的配备比只有3.5∶1，大多数的充电桩集中分布在城市范围。在其他地区充电站的数量是非常少的，农村等偏僻地区甚至是空白。长途行驶续航不足，充电时间较长，不适合长途驾驶。在低温环境下，电动汽车需要更多的电量，续航里程会减少30%左右，这对本就有里程缺陷的电动车来说，无疑是雪上加霜，会严重影响汽车的正常使用。

2.4 锂离子电池的使用寿命

对于汽油车来说，一般寿命都可以在15年以上，而且私家车如果能通过检验，就没有报废年限的限制。而最影响电动汽车寿命的就是电池寿命，电机和电机控制器等技术目前已经很成熟了，不在考虑范畴内。电池的寿命就制约了电动汽车的寿命。而不同的汽车公司电池的寿命和保养年限也是有所不同的。

例如：特斯拉汽车的电池有8年的质保期，不限公里数，特斯拉对于自身的电池还是很自信的。宝马i3的寿命则可以长达15年，基本和燃油车一样，并且对于车上的电池、驱动电机和电子控制系统提供8年或10万km的质保。比亚迪作为自主品牌中新能源的领先者，拿比亚迪旗下的e5来说，厂家提供了8年或15万km的质保方案，对自身的产品质量也是很有信心。电池使用8年左右容量衰减在30%内均属于正常。三元锂电因为功率密度高，低温放电特性好，可以大功率充放电，被越来越多的厂商采用，连比亚迪都已经开始转战三元锂电，但是锂电池容量衰减是一个无法回避的问题。

2.5 电动汽车锂离子电池报废处理存在的问题

在中国乃至世界多数国家，汽车成本未能包含尾气污染、雾霾和拥堵造成的浪费时间的成本，电动汽车没有计算废旧电池的回收处理和化石能源发电对环境造成的污染的成本。中国的书籍几乎是世界上最廉价的，但这个价格却未能反映其真实成本：因树木砍伐造成的水土流失、造纸污染了河流与地下水以及难以降解的印刷油墨对环境的污染。塑料材质对设计产品的美观、轻便及功能都有很大的帮助。耐高温塑料是制造汽车引擎的材料，20世纪80年代，以新型碳纤维和其他合成物形成的新型塑料，开始取代飞机里的一些重要金属部件，它的改进功不可没，在很大程度上降低了产品的市场价格，然而，这个成本同样没有包含上百年才能降解所造成的环境污染和土壤破坏的成本。

锂离子电池的使用寿命有限，当锂离子电池的被废弃后，其中钴、镍、锰和含氟化合物等物质会给自然环境造成巨大的污染。如果不对废旧锂离子电池进行系统的回收再利用，不仅会给环境造成严重的污染，还会造成资源的巨大浪费。废旧的锂离子电池会产生废极片和废电池；废极片一般采用溶剂浸法，使活性物质和集流体分开，回收钴、铝和铜等材料；废电池采用拆解法，只回收价值较高的钴、镍和铜等物质，而其他物质直接作为废弃物直接抛弃，对环境的影响极大。废旧锂离子电池中主要金属对人体的危害如表1所示。

表1 废旧锂离子电池中主要金属对人体的危害

3 加强电动汽车发展对环境的保护方法

3.1 政策引导实现废旧锂离子电池回收处理规范化发展

想要从根本上解决废旧锂电池处理难题，首先，政府须尽快出台相关法律法规和行业政策，制定详细的操作管理准则，对规范的废旧锂电池处理企业在资金和政策上给予扶持。其次，建立健全生产企业责任延伸制度，通过法律法规要求电池生产商承担起处置废旧锂离子电池的回收利用责任。

3.2 建立科学的锂电池回收方法

中国缺少废旧锂离子电池的回收方法，对于小型便携式电器使用完后的废旧锂离子电池，大多数消费者会选择直接丢弃，极少的消费者会放到指定的回收地点，这就需要加大回收废旧锂离子电池的知识宣传力度，明确告知经销商和消费者应该尽到的义务，在经销商和消费者之间建立合理的回收网络，消费者在购买新的锂离子电池的同时带来了废弃的锂离子电池，商家可以给予一定的经济补偿。对于汽车动力锂离子电池，车辆维修或者更换的地点相对比较集中，可以采用以旧抵新或生产厂家质保的方式，使得消费者在更换新锂离子电池时可以获得一定的经济补偿。

3.3 加强技术研发提高锂电池生产和回收技术水平

从锂离子电池的全生命周期出发，鼓励开发低耗高能、低污染的电池产品和生产工艺，积极推行低污染的生产工艺和设备，从源头对污染物实施控制。另一方面，加强对废旧锂离子电池处理处置技术的研发，积极引进和借鉴国内外已有成熟的废旧电池处理技术。

4 总结

电动汽车的发展是为了解决环境污染和能源面临枯竭的问题，在电动汽车发展的同时也带来了新的问题。还没有科学依据表明电动汽车和燃油汽车谁对未来环境的破坏更大，真正的清洁能源还是需要科学家们不断地去开发。电动汽车发展的速度太过迅速，废旧锂离子电池的回收技术还没有得到完善，一旦不加以控制，后果不堪设想。未来的汽车需要在减少能源消耗的同时注重减少对环境的污染。如今人类社会正在高速发展，时时刻刻都在破环自然环境，设计的未来趋势应当是调节设计与人、设计与设计、设计与自然、设计与社会之间的平衡关系，使其达到和谐发展。