动力电池回收体系的外包装功能设计与艺术设计的融合——评《动力电池梯次利用与回收技术》

王 聪

( 永城职业学院，河南 商丘 476600 )

随着新能源汽车保有量的迅速攀升，退役动力电池的数量不断增加。在现有政策和节能减排大背景下，预计到2030年，退役动力电池将呈爆发式增长。对退役动力电池进行回收，不仅能实现资源再利用，而且符合当下倡导绿色低碳理念的背景。开展动力电池梯次利用与回收技术，对行业可持续发展具有重要的意义。

有鉴于此，李丽等主编的《动力电池梯次利用与回收技术》一书进行了退役动力电池的回收和再利用研究，该书包含8个章节：第1章分析了新能源汽车及动力电池产业的现状与前景；第2～6章依次介绍了退役动力电池梯次利用与安全评估技术、梯次利用颠覆性技术、电池组与单体预处理技术、动力电池回收处理技术；第7～8章分析了资源化综合利用实例及全生命周期评价，并就本领域所面临的机遇、挑战与发展趋势进行了总结和展望。

1 新能源汽车及动力电池产业现状与前景

在新能源汽车领域，中国拥有全球最大的消费市场和销售额。2016-2020年，我国政府出台的一系列对新能源汽车市场的扶持政策，极大地推动了动力电池行业的扩张，五年间年复合增长率达到了24.3%。截至2020年，我国动力电池终端消费需求占比达到了44.1%。虽然新能源购车补贴将于2022年年底结束，但政府对于新能源汽车生态链的支持，使得新能源市场在宏观层面仍持续向好发展，因此，我国动力电池需求仍将保持高速增长。

退役动力电池数量随着动力电池需求的增长而快速增长。据统计，我国动力电池退役量在2020年已累计约20×104t，预计到2025年，累计退役量将接近80×104t。动力锂离子电池能量消耗大，使用寿命短，使得报废量激增，对环境造成严重污染，同时废旧动力锂离子电池中含有大量的铜、铝、石墨等资源，不进行有效回收，会造成资源浪费。对废旧动力锂离子电池开展回收利用，迫在眉睫。

退役动力电池遵循先梯次利用、后再生利用的原则，旨在降低综合能耗、提高能源利用率。从产业链的上下游环节看，动力电池的生产企业应在源头上做好产品结构设计，最大限度地考虑后续的梯次利用效果，而梯次利用与回收企业则要重点把关梯次产品的质量，同时系统考量报废后的统一回收问题。整个动力电池回收体系，可以通过整合上下游产业链信息，为动力电池的高效梯次利用创造更加便捷的条件，其中，动力电池的外包装科学设计，可以助力行业的健康和高效发展。

2 动力电池梯次利用技术

一般情况下，当动力电池的剩余容量衰减至额定容量的80%以下时，会进行退役处理。可以梯次利用的剩余容量范围通常为60%～80%，主要用于储能系统、备用电源等。当剩余容量低于60%时，无法满足梯次利用要求，会对电池进行拆解回收和再生处理，从而实现资源最大化利用。

研究结果表明，退役动力锂离子电池可利用率达到60%，梯次利用价值巨大。退役动力电池的梯次利用回收包括以下步骤：①电池回收；②电池组拆解获得电池单体；③检测并分类筛选出可使用的电池单体；④电池单体配对重组成电池组；⑤系统集成与运行维护。

按正极材料的不同，动力锂离子电池主要有磷酸铁锂和三元材料两大主流技术路线，早期以磷酸铁锂锂离子电池为主，随着消费者对续航里程需求的重视，能量密度更高的三元材料锂离子电池市场占有率迅速提高，2020年一季度甚至达到76%的占比。从我国动力电池发展路线来看，2023年之前，退役电池主要以磷酸铁锂锂离子电池为主；2023年之后，将逐渐转变为以三元材料锂离子电池为主。由于动力电池往往来自不同的车辆，不仅结构、性能不同，使用寿命也有很大差异，因此，当前动力电池梯次利用时，电池组的一致性较难控制。这是全世界范围内的一个技术难题，目前尚没有高效、彻底和经济的解决方法，使得梯次利用电池组的运行安全性远低于原电池组，且梯次利用的安全、循环寿命和再利用价值无法得到保证，电池组梯次利用在具体应用层面和市场反应远不及预期。

综合来看，动力电池梯次利用在未来发展中，还需继续加强余能检测、残值评估、重组利用和安全管理等技术的研发，同时建立退役电池健康状态、剩余能量检测标准，以便快速高效地对电池进行诊断。

3 动力电池回收处理技术

根据电池类型不同，动力电池的回收处理可分为锂离子电池、镍镉电池、金属氢化物/镍电池和铅酸电池等。锂离子电池应用广泛，在动力电池回收中占比最大，退役锂离子电池经过资源化回收处理，镍、钴、锰等金属元素的回收率可以达到95%以上。废旧动力锂离子电池的资源化回收主要集中在正极材料中的有价金属提取，主要过程为：①彻底放电；②拆解分离出正负极、电解液和隔膜等组成部分；③对正极材料进行碱浸出、酸浸出、除杂；④提取富集有价金属。

对废旧锂离子电池的回收利用处理，包含拆解和分类回收两大方向。锂离子电池需在彻底完成放电后再进行拆解，拆解的目的是将废旧电池中的铜、铁、铝、塑料以及正负极材料分离，以便综合利用，同时也要考虑隔膜及电解液的无害处理。现有技术是将铜、铁、铝经过简单的机械粉碎后，磁选去除铁，利用筛分将大部分的铜、铝和正负极材料分开，达到粗分选产品的目的。接着，进行金属提取，按提取工艺可分为湿法、干法及生物回收。湿法工艺较复杂，包括浸出、萃取、沉淀等方式，但对有价金属回收率高，获得的物料相比热处理方法更干净，且可定向回收成品，对环境污染小，同时生产过程更容易实现自动化和连续化，是目前的主流回收工艺；干法工艺是通过高温炉将锂离子电池材料进行高温还原冶炼，从而提取金属或化合物，但由于能耗较高，且易造成二次污染，一般在金属回收初步阶段应用；生物法工艺具有较多优点，如成本较低、分离效果好、回收效率高、污染小等，但生物群落培养过程较繁琐，目前仍处于开发研究阶段，尽管是电池回收发展的理想方向，但依靠当前的技术难以实现工业化，目前仍无商业化应用的案例。

4 利用实例及全生命周期评价中的设计应用

当前，我国迫切需要打造动力电池“生产-销售-使用-再利用”的闭环产业链。目前国内在动力电池资源化回收应用领域的龙头企业主要是格林美和邦普循环。格林美作为行业领先企业，构建了从回收、梯次利用到再生利用的新能源全生命周期价值链。邦普循环则打造了上下游优势互补的全产业链循环体系，自主研发的动力电池全自动回收技术及装备，为全球近20家整车企业提供动力电池和电动汽车整车回收服务。

从电动汽车的全生命周期来看，除了充电环节，动力电池在生产和回收环节也存在能耗和环境影响问题，因此，采用生命周期评价(LCA)对动力电池进行分析，具有积极的现实意义。要降低电动汽车的整个生命周期能耗值和矿产资源耗竭潜值，还需从以下几个方面努力：①报废回收阶段是对原材料进行回收再生的过程，直接减少了动力电池全生命周期的矿产资源消耗，加强回收工作，意义重大；②改进动力电池回收工艺，提高金属再生效率；③改进动力电池回收工艺，提高回收企业的投入产出比；④提高动力电池比能量，减轻质量，从源头减少原料开采和获取；⑤挖掘成本低廉、资源广泛易得的电池材料，降低原料获得难度。

实现梯次利用，需要对动力电池的全生命周期进行系统管理、数据搜集、技术整合、方案评估等。一方面，梯次利用企业应充分协同上游的生产企业，对动力电池从生产、使用到回收进行全过程监控，做好溯源管理；另一方面，梯次利用企业可优化新电池的产品和性能设计，通过设计解决可持续问题，深入分析产业链上下游的需求，将外包装的功能设计与艺术设计有机结合，为动力电池系统的可持续发展服务。动力电池外包装设计中的功能诉求主要是保护电池和便于运输，如具有防水性、使用防漏层包装以防止漏液等；外观诉求主要是美观和品牌展示。同时，在满足功能设计和艺术设计的基础上，要考虑融合绿色设计的理念，即要考虑后端材料的可回收价值，使包装材料得到最大化回收利用，并最小化对自然环境的污染。动力电池的外包装设计在服务整个回收体系和全生命周期中可发挥的空间还很大，有待继续深入研究。

5 结语

动力电池梯次利用与回收技术在当前科技发展中具有十分重要的地位，在支撑社会可持续发展和环境技术领域备受关注。进行退役动力电池的回收与再利用研究，在我国具有紧迫性和必要性，具有鲜明的需求导向、问题导向和目标导向。《动力电池梯次利用与回收技术》一书题材新颖实用，内容丰富，深入浅出，文字通俗易懂，具有较高的实用价值。本书可供从事电动汽车动力电池梯次利用、拆解回收利用的工程技术人员及管理人员阅读，也可供从事电动汽车动力电池梯次利用、回收利用培训及高等院校、职业技术学院相关专业的师生参考。