中国锂动力电池产业链污染调查评估及风险管控

李 媛 时进钢# 陈 楠 张明博 Paul P.J. Gaffney

(1.生态环境部环境发展中心,北京 100029;2.中国科学院地理科学与资源研究所,北京 100101)

我国新能源汽车发展趋势强劲,带动锂动力电池产量同比翻倍,我国现已成为全球最大的新能源汽车消费国与锂动力电池生产国。在“双碳”(碳达峰、碳中和)目标指引下,我国新能源汽车产业进入规模化、高质量、快速发展的新阶段[1]。2020年我国新能源汽车销售总量为136.7万辆[2],占全球新能源汽车销量(331.1万辆)的41%;2021年我国新能源汽车销量352.1万辆,占全球(670万辆)的53%[3]。锂动力电池作为新能源汽车的核心部件,发展势头迅猛,2021年我国锂动力电池产量219.7 GW·h,较2020年(83.4 GW·h)增长163%。受锂动力电池产业的带动,2020年我国锂消费量2.29×105t(碳酸锂当量),并保持高速增长(年均增速24%),是全球最大的锂消费国与锂盐材料生产国[4]。

锂动力电池作为交通领域减污降碳的重要载体,锂动力电池相关政策、技术开发及产业影响等方面问题受到学者广泛关注与研究。政策层面,郭扬[5]分析了世界视域下新能源替代化石能源的经济、社会、政治三维驱动效应,郭本海等[6]总结了现有新能源汽车的政策措施,并实证分析政策措施耦合协调度对新能源汽车产业创新绩效的影响。技术开发层面,张丹宁等[7]对新发展格局下我国新能源锂动力电池产业链现代化水平与提升路径进行研究,陈立泉[8]、黄学杰等[9]、涂康安[10]研究了我国锂动力电池及其关键材料研发技术状况,并提出日后产业发展的技术目标。产业影响层面,陈轶嵩等[11]与金莉娜等[12]针对新能源汽车相对传统燃料汽车更“绿色”的属性,开展全生命周期环境影响与经济效益分析,吴锦泽等[13]研究了广东新能源汽车产业政策的环境风险,发现现有政策对能源生产端、锂动力电池回收端污染管控较弱,需加强全生命周期的环境风险防控;部分学者对锂动力电池涉及产业现状发展情况与生产技术及环境影响开展研究[14-16],邢佳韵等[17]梳理了锂资源产业发展基本状况,提出锂产业高质量发展的建议;蒋京呈等[18]筛查了锂动力电池的有毒有害物质,王艺博等[19]对锂动力电池回收处理过程的环境风险予以研究。从已有文献看,侧重于锂动力电池全产业链的生态环境影响研究仍有不足。

锂动力电池及其相关产业快速发展的同时,也面临着生态压力、环境污染等挑战。受长沙比亚迪工厂“排污门”事件、欧盟“考虑将锂列为有害物质”等新风向影响,更多公众开始关注锂动力电池全产业链条的环境问题。本研究聚焦锂动力电池全产业链,基于我国锂动力电池全产业链建设项目的环境影响评价审批情况,探究我国锂动力电池上、中、下游产业的发展现状;针对主要生产过程,开展全产业链环境污染特征分析,剖析我国现阶段锂动力电池高速发展与资源环境保护的主要矛盾;并提出针对性的环境管理建议。

1 我国锂动力电池全产业链调查评估

1.1 锂动力电池产业链概况

锂动力电池全产业链可总结归纳为上游锂资源开发利用与锂盐生产、中游锂动力电池原材料生产与锂动力电池制造、下游锂动力电池的回收与利用3大部分[20]。上游锂资源有固态和液态两种形式,固态锂辉矿石经破碎、浮选等处理,得到锂精矿石,锂精矿石采用硫酸法、硫酸盐法、石灰石焙烧法等方法处理,得到碳酸锂、氢氧化锂、氯化锂等锂盐产品。液态锂主要存在于盐湖卤水、海水、油田卤水中,主要利用溶剂萃取法、沉淀法、离子交换吸附法等卤水提锂方法得到碳酸锂、氯化锂等锂盐产品。上游生产的锂盐产品辅以石墨、聚乙烯、聚丙烯等其他原料,用于中游锂动力电池正、负极材料及隔膜、电解液等的生产,经组装及封装后得到锂动力电池。当锂动力电池容量衰减到80%时需进行回收处理,包括梯次利用与拆解回收两种方式:梯次利用将状态较好的锂动力电池模块、单体重新利用于储能、备用电源灯等对电池性能要求较低的场景;拆解回收将锂动力电池进行放电和拆解后,提炼镍、钴、锰、铜、铝、锂等原材料,实现锂动力电池材料资源的循环利用。

1.2 我国锂动力电池全产业链建设项目现状

查询中国环境影响评价监管数据库平台可知,截至2021年,全国锂动力电池产业建设项目环境影响评价批复共503项,按照《建设项目环境影响评价分类管理名录》,我国锂动力电池产业链建设项目可归纳为4类,具体如表1所示。批复项目与新增污染物批复量主要集中于锂动力电池原材料生产与锂动力电池制造环节,占比超过70%,主要新增污染物为氮氧化物。

表1 锂动力电池产业涉及项目汇总表

2 存在的问题分析

2.1 上游锂资源多依赖进口,扩产或面临较大生态环境风险,以碳酸锂为主的锂盐生产结构或影响区域环境空气质量

我国锂资源储量较为丰富,存在形式以盐湖锂为主(占比85%),主要集中于青海、西藏、四川、江西等地。我国盐湖锂因具有较高的镁锂比,开采难度较大;矿石锂受资源品质、区位条件、提锂技术等因素制约,总体开采程度较低;利用我国锂资源进行锂盐生产的占比为30%,其余70%依赖于进口锂辉矿石[21-22]。目前青海、江西部分地区锂开采已初具规模,未来主要开采潜力集中在青藏高原、青海柴达木盆地等生态功能脆弱地区,一旦无序开采,或将造成不可逆转的生态环境影响。

我国锂盐生产以碳酸锂为主。2021年我国碳酸锂产量为48万t(矿石锂41万t、盐湖锂7万t),是全球碳酸锂增量的主要来源。我国碳酸锂生产主要采用“硫酸法矿石提锂”工艺,即锂辉矿石经转化焙烧,高温使其结构由致密变为疏松,再经粉磨后与过量硫酸混合,在回转炉中酸化焙烧溶解,水浸后得到粗硫酸锂溶液,经过滤洗涤、净化、浓缩等处理后获得碳酸锂产品,如图1所示。其中,锂辉矿石高温转化焙烧工序产生大量烟气,为典型的大气污染项目,或影响区域环境空气质量,矿石锂生产的碳酸锂产品被列为《环境保护综合名录(2021年版)》的高污染产品。按我国碳酸锂生产建设项目环境影响评价信息统计,电池级碳酸锂生产过程中烟气排放量为3.358万～11.70万Nm3/t,排放量主要受锂辉矿石精矿品位与企业清洁生产水平影响。

图1 硫酸法生产碳酸锂产污示意图

2.2 中游锂动力电池原材料生产与锂动力电池制造项目数量增长迅速,生产过程涉及多种重金属与有机化合物,存在环境风险

《新能源汽车产业发展规划(2021—2035年)》明确提出,2025年我国新能源汽车销量将达销售总量的20%。以2020年我国汽车销售量(2 531万辆)保守估计,2025年我国新能源汽车销量将超过500万辆。在新能源汽车产业布局、补贴支持、技术标准和市场推广等政策标准的协同推动下,锂动力电池原材料生产与锂动力电池制造项目数量增长迅速。对我国新能源汽车锂动力电池制造相关项目调研发现,2016年全国锂动力电池原材料生产及锂动力电池制造环境影响评价批复项目7项,2017年新批复项目43项,2019年新增批复项目数量高达101项,整体呈现数量增长较快、地域分布广、新增污染物批复量增高的特点。

锂动力电池原材料包括正极材料(钴酸锂、磷酸铁锂、三元体系镍钴铝等)、负极材料(石墨、硅碳复合材料等)、电解质(六氟磷酸锂、四氟硼酸锂)、高纯度有机溶剂及添加剂等[23]。在针对全国锂动力电池建设项目环境影响评价的调研中发现,锂动力电池原材料制造环节存在排污许可证降级管理现象。钴酸锂、三元正极材料的生产属于无机盐制造,按《固定污染源排污许可分类管理名录(2019年版)》为“重点管理”,但一些地方却归为“简化管理”,存在环境风险。

电池制造流程主要包括极板工程、组装工程、化成工程,如图2所示。其中,极板工程是产污较多的环节,搅拌制浆与涂布烘干工序产生非甲烷总烃氮甲基吡咯烷酮有组织废气。此外,极板工程产生废正负极片与组装工程的边角料等固体废物,电池组装过程会产生电解液,具有易燃性,且电解液通常具有毒性与致癌性,属于危险废物。

图2 锂动力电池制造产污示意图

2.3 下游锂动力电池回收体系持续完善,回收利用现状不容乐观,潜在的环境安全隐患亟待解决

在新能源汽车锂动力电池回收政策与标准等的推动下,我国新能源汽车动力回收体系建设正逐步完善,如图3所示。2021年12月,《新能源汽车废旧动力蓄电池综合利用行业规范条件》发布第三批合规企业名单(47家),截至2022年,全国已建成锂动力电池梯次利用和再生利用企业共74家[24-26]。

图3 我国锂动力电池回收利用体系政策

锂动力电池的回收利用流程主要包括拆解、焙烧(破碎、分选)、材料回收,如图4所示。废气主要为焙烧、破碎、分选过程产生的二氧化硫、颗粒物、氟化氢、非甲烷总烃、镍及其化合物、钴及其化合物、二噁英;废水中含有重金属、氟化物等污染物,主要产生于材料回收阶段湿法浸出过程;固体废物主要为拆解过程产生的乙二醇废冷却液和塑料连接件、电路板等拆解产物。

图4 锂动力电池回收利用产污示意图

现场调研发现,锂动力电池回收企业普遍反映回收锂动力电池渠道不畅,由于正规企业锂动力电池运输、拆解成本高等原因,无成本优势,多数废旧锂动力电池流入了“小作坊”。废旧锂动力电池含有大量重金属及氟、粉尘、酸碱等物质,未经妥善处置的废旧锂动力电池将威胁公共安全,并可能造成环境污染:正极材料中镍、钴等重金属与酸碱溶液将造成土壤、水体污染;电解液溶质六氟磷酸锂属于有毒物质且易潮解,会与空气中的水反应产生剧毒的氟化氢,造成大气污染,溶剂则会造成水污染。

3 结论与建议

3.1 我国锂动力电池产业发展面临的环境风险

(1) 上游锂资源多分布于生态环境脆弱区,扩产面临较大的生态环境风险,以初级产品碳酸锂为主的锂盐生产结构或影响区域环境空气质量。

(2) 中游锂动力电池原材料生产与锂动力电池制造项目数量增长迅速,生产过程涉及多种重金属与有机化合物,存在环境风险。

(3) 下游基于“生产者延伸制度”的回收体系持续完善,但锂动力电池回收渠道仍有不畅,多数废旧锂动力电池流入了“小作坊”,潜在的环境安全隐患亟待解决。

3.2 环境管理建议

(1) 以“三线一单”、规划环境影响评价为抓手,加强上游锂资源开采与加工环境影响评价准入管理。严格落实“三线一单”管控要求,从项目选址、污染物排放强度、污染防治设施水平、防护距离等方面精准细化项目环境准入条件,强化经济相对落后的资源禀赋地区环境影响评价准入管理。优化产业布局与资源配置,引导生产企业布局园区化、生产规模化、管理集中化,实现资源开发与环境保护协同发展。

(2) 强化中游锂动力电池生产企业排污许可情况监督。加强对锂动力电池生产类型项目排污许可证核发监管,加强排污许可事中事后监管,强化对锂盐生产、锂动力电池制造等典型行业的排污许可执行情况监督,督促生产企业严防污染。建立锂动力电池环境分级管理体系,引导高污染环节产业技术升级。调研发现部分碳酸锂生产企业已完成技术改造,工艺达到清洁生产标准,建议以污染物排放量为标准,实行环境分级管理,区别对待污染控制技术进步与落后的生产企业,用环境管理政策倒逼企业技术进步。

(3) 进一步明确下游锂动力电池回收企业环境主体责任。根据《生产者责任延伸制度推行方案》,新能源汽车生产企业负有回收锂动力电池的主体责任。建议研究出台锂动力电池回收的环境主体责任政策文件,研究考核奖惩机制,增强企业在回收过程的自发能动性;加强环境主体责任追究,严格查处不合规企业;鼓励企业运用互联网、物联网、大数据和云计算等现代信息技术,构建锂动力电池线上线下追溯系统,实现回收体系管控的高效化与便捷化。