废旧锂离子电池回收预处理专利综述

陈 维,王 雪,李 烜

（贵州梅岭电源有限公司,贵州 遵义 563000）

出于环境保护和有价金属资源稀缺的原因,人们加大了对废旧锂离子电池中有价金属资源再生利用的研究。废旧锂离子电池的回收主要涉及前端预处理和后期材料修复（或元素提取）两大方面。预处理包括残余电量的释放、拆解破碎、集流体与活性物质的分离,以及相应的污染处理等;材料修复（或元素提取）主要是从火法、湿法入手,包括材料高温固相修复,元素沉淀、萃取、离子交换、电解,以及相应的污染处理等[1-2]。

专利分析可在短时间内对某一技术领域的发展及最新技术动态进行了解[3]。人们目前多从锂离子电池回收整个技术路线角度进行分析,如对全国锂离子电池回收专利进行分析[4-5],对全球和国内的技术进行对比分析[6],总结国内锂离子电池回收技术专利现状。令狐磊等[7]从文献和专利两方面分析国内锂离子电池回收技术现状及核心技术要点。

回收预处理是废旧锂离子电池综合回收利用的一个重要环节。本文作者通过对锂离子电池回收中的预处理技术专利进行细致划分,分析国内锂离子电池回收预处理技术的专利布局情况,总结相关技术的现状与未来发展趋势,为下一步的深入研究提供参考。

1 数据与方法

目前市场上常见的废旧锂离子电池,按照正极材料的不同可分为磷酸铁锂、镍钴锰酸锂和钴酸锂等类型。回收预处理过程涉及电池放电、拆解破碎、集流体与活性物质的分离,以及回收过程中电解液、N-甲基吡咯烷酮（NMP）、废水和废气等的处理,因此,检索的范围锁定在锂离子电池回收预处理技术体系。本文作者以国家知识产权局专利数据库为数据源,采用主题词和国际专利分类（IPC）号相结合的方式进行检索。检索主题词有“锂离子电池拆解”“锂离子电池放电”“锂离子电池预处理”“活性物质或极片与集流体的分离”“电池拆解设备或装置”“锂离子电池电解液回收”“锂离子电池回收废水或废气的处理”等。

2 结果与讨论

2.1 申请量年度趋势分析

分析国内1990—2020年废旧锂离子电池回收预处理方面的专利申请情况可知,总共申请专利454项,其中发明专利223项,占整个检索结果的49.12%,实用新型专利230项,占整个检索结果的50.66%,外观专利1项,占整个检索结果的0.22%。

年度趋势分析结果如图1所示。

图1 专利申请年度趋势分析Fig.1 The annual trend analysis of patent applications

从图1可知,在1990—2006年,没有相关专利申请,主要是因为在这个时期,国内学者致力于锂离子电池材料的研究与开发,没有开展回收预处理技术的研究。2007年,出现了3篇相关专利申请,在2008、2009年申请相关专利1篇,2010年为2篇,2011年为5篇,2013年为5篇,说明废旧锂离子电池回收预处理技术开始缓慢发展;从2015年开始,随着国内环境保护力度加大,相关部门出台了一系列关于固废资源（包括废旧锂离子电池）的处理政策[8],专利申请数量逐年增加且速度加快,并在2019年达到顶峰（116项）,说明越来越多的企业及科研单位人员加入到这项工作中。由于专利的滞后性,2020年的申请数量存在一定误差,但总体上仍与2019年持平。预计今后几年,关于锂离子电池回收预处理技术、电池材料回收技术及电池回收污染处理技术的研究力度将持续加大,相关专利申请数量会继续增加。

2.2 法律状态分析

锂离子电池回收预处理技术相关专利法律状态主要构成为:有权专利270项,占整个检索结果的59.47%;在审查专利137项,占整个检索结果的30.17%;无权专利47项,占整个检索结果的10.35%。

具体专利法律状态构成见表1。

表1 专利的法律状态构成表Table 1 The composition table of the legal status of the patent

从表1可知,在锂离子电池回收预处理技术无权（失效）专利中,撤回的有12项;未缴年费而失效的专利有14项,占总申请量的5.72%,这些专利的质量不高,产业化前景不好;而被驳回的专利有21项,且集中在2017、2018年,说明锂离子电池回收行业竞争大,与整体发展趋势相符。

2.3 专利申请人分析

2.3.1 申请单位分析

锂离子电池回收预处理技术专利申请量排在前20名的专利申请人见表2。

表2 排名前20的专利申请人Table 2 Top 20 of patent applicants

从表2可知,排在前3的申请人分别是合肥国轩高科动力能源有限公司（国轩高科）、中国科学院和江西睿达新能源科技有限公司（江西睿达）,申请量分别为29项、19项和16项,占所有锂离子电池回收预处理专利的6.39%、4.19%和3.52%。针对这三位申请人专利研究重点的分析可知,国轩高科和中国科学院主要侧重于拆解装置、设备、方法的研究,江西睿达则侧重于预处理过程中的污染治理。在进入前20的申请人中,生产企业有18家,高校科研院所有2家,由此可见,我国的锂离子电池回收产业发展中,生产企业掌握大量的专利技术,且专利的转化率和产业化率相对较高,如国轩高科、格林美股份有限公司、邦普循环科技有限公司等企业,都是国内锂离子电池回收行业的佼佼者。

2.3.2 重要发明人分析

在所统计的454项专利中,申请专利数量前10位的发明人申请量见图2。

图2 排名前10的重要发明人及专利申请数量Fig.2 Top 10 important inventors and number of patent applications

从图2可知,发明人肖培南参与申请的专利数量最多,共计14项,其次是曹利娜,参与申请数量13项,此外,陈华根、李明峰等人的专利申请数量也较多。

2.4 地域分布

专利申请所在地域分布情况见图3。

图3 专利申请所在地域分布Fig.3 Geographical distribution of patent applications

从图3可知,锂离子电池回收预处理技术专利申请中,广东省最多,共申请专利87项,位列第一;其次是安徽省,申请该领域的专利57项,位列第二;江苏省申请该领域的专利41项,位列第三;湖南、江西等4个省（区、市）的申请数量均在30项及以上;山东、四川等4个省（区、市）的申请数量为10～20项,另有13省（区、市）,申请量不多;此外,还有一部分省（区、市）没有这方面的专利申请。这说明,在全国范围内,还没有形成完整、健全的锂离子电池回收产业链。

2.5 技术领域分析

2.5.1 IPC构成分析

通过分析得出结论:锂离子电池回收预处理相关专利IPC有12个小类,其中排名前5位（专利数量为5及以上）的IPC号见表3,主要技术涉及废蓄电池有用部件再生,说明该领域竞争激烈,也是研究的热点。

表3 主要IPC构成分析Table 3 Analysis of main international patent classification（IPC）components

2.5.2 技术构成分析

查看专利的技术内容,将预处理技术大致分为放电、拆解、集流体与活性物质分离及预处理过程中的相关处理,其中放电专利29项,拆解相关专利295项,集流体与活性物质分离专利27项,相关处理专利78项,具体细分见表4。

表4 预处理技术构成表Table 4 The table of pretreatment technology

在整个技术细化分下,拆解设备或拆解装置的专利量最多,对比排名前3的申请人的专利布局情况,可以发现国轩高科在预处理技术方面专利布局最全,江西睿达则在预处理过程中的污染防治方面专利较全。

就目前的数据来看,虽然锂离子电池预处理回收方面的研究较为全面,但多以人工或半自动为主,在自动化、智能化预处理技术方面的专利较少,与自动化拆解相关的专利只有7项,且多在2017年以后申请,有权的5项、审查1项,无权1项。

3 结论

随着国内电池回收体系建设的不断完善,锂离子电池回收行业将不断规范,市场需求广阔。

我国在国际上申请的锂离子电池回收预处理技术领域的专利很少,应加大海外专利布局的力度。

国内锂离子电池回收预处理技术研究主体主要以企业为主,但整体的技术创新水平不高。应加大企业间合作,促进锂离子电池回收上下游产业稳步向前发展。

锂离子电池回收预处理技术作为回收的关键步骤之一,国内整体布局的企业少,且在锂离子电池智能化拆解、多规格型号电池兼容处理方面的技术研究也有待提升。我国应不断加强智能化拆解技术研究,突破技术壁垒,促进锂离子电池回收产业稳步向前发展。