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动力电池绿色回收与资源高值化:变火山废山为矿山金山

2020-07-14 浏览次数:2,099 次 高科技与产业化

随着新能源电动车行业的飞速发展,全球对锂电池的需求呈现大幅度增长。据预测,到2030 年, 全球退役锂离子电池将达到1100 万吨以上,中国的退役锂电池数量也将达到每年万吨甚至十万吨量级。

“锂电池的正极材料中含有锂、钴等贵金属, 这些稀缺资源必须倍加珍惜,循环利用”,中国科学院院士费维扬曾对《高科技与产业化》记者指出,“而且,只生产不回收,既不符合可持续发展的规律,还会进一步对自然环境产生威胁。我们应当加强先进动力电池的回收技术研发,让退役锂电池‘好来好去’”。

与此同时,随着我国动力电池回收门槛的逐渐提高,产业链融合将是未来发展趋势。但目前该行业的产业链仍然缺乏具体有效、可囊括所有环节的一揽子解决方案,产业链壁垒林立,难以实现资源高值化。中国电池联盟高级顾问、综合部主任杨清雨也对记者表示为,“整个产业链包括所有电池应用端、回收渠道、网络、梯次利用、预处理、材料再利用等多个环节,在这个过程中不可避免地会出现技术壁垒、数据壁垒以及物流壁垒,亟待加强上下游合作。”

深圳清华大学研究院新能源与环保技术研究所所长、教授陈建军在“第二届中国高科技产业化高峰会议”上,就上述废旧锂电池的绿色回收与资源高值化问题接受本刊采访,并介绍了技术团队最新突破性进展。

一面是潜伏危险“火山” 一面是城市矿山

目前市面上的动力锂电池主要分为三元锂电池和磷酸铁锂电池。磷酸铁锂固有特性是一致性差,存在着低电压、低容量、低压实等“三低缺陷”,且容易自放电, 已逐渐被三元锂电池所部分取代;动力三元锂电池是目前主流的电动车电池,其能量密度高,但同时危险性也高。“三元也好铁锂也好,都有危险,全国各地也发生过多起因燃烧或撞击而爆炸的事件。废旧电池回收破碎处理过程中,废旧电电池一样会起火燃烧爆炸。” 陈建军说,“废旧动力电池是城市快速发展的产物,如果能做到安全破碎,回收过程做到绿色规范处理,就不会给环境造成新的压力,而且有价组分的品位和价值会非常高,因此我们把它叫做‘城市矿山’,所以非常有必要做好绿色回收与资源高值化利用。”

锂电回收市场空间巨大。据权威机构统计预测,预计到2023 年,动力电池回收退役规模将达到48GWh,年复合增长率为57%。陈建军认为:“只要处理得当,没有垃圾与废物排放,可完全实现产业链闭环。”

数据显示,2016 年前新能源汽车电池主要以磷酸铁锂电池为主,从2014 年开始动力三元锂电池逐渐占主流,回收占比也开始增加。目前,国内动力磷酸铁锂电池回收企业正重点关注湿法冶炼技术,注重提高能源锂金属的回收率,废旧磷酸铁锂电池回收碳酸锂可通过酸溶氧化正极材料,再通过碳酸盐沉淀的方式制备,可将原有不足60% 的锂回收率提高到92% 以上,其它成分主要采用堆放方式弃之尾库存放, 迄今为止,国内外现在尚无企业实现真正的全组分回收利用。三元锂电池回收主要采用强酸浸取其能源金属镍、钴有价金属,再通过萃取方式回收制备硫酸镍钴盐或镍、钴氢氧化物,采用碳酸盐沉淀锂,锂金属回收率80% 左右。

有业内人士指出,动力三元锂电池回收产业链向下延伸将获得更多收益。数据显示,通过回收材料内部成本结构法分析发现,前驱体和正极材料生产中原材料成本占比达80% 以上。如果产业纵向延伸将带动毛利率提升,三元电池回收向产业链下游延伸则可将毛利率从10%~20% 提高到30%~40%,使企业获得更多收益。

绿色回收工艺解决传统回收工艺痛点

目前市场上常见的废旧锂电池回收方案主要有三种:一是火法冶金,“不管什么电池、什么型号,都可以丢进炉子里熔融焙烧。金属外壳钢、铜、铝全部融在一块,有机电解液和石墨都会燃烧。火法冶炼的优点是什么电池都可以,兼容性强;缺点是能耗较高、尾气污染大、金属分离难度大。”二是直接回收,“这个处理过程相对简单,污染少,但对风险程度要求非常高,产品的均一性较低,品质很难把控制。”三是湿法冶金,“把镍、钴、锰全部用酸溶解,最后把镍、钴等成分萃取出来,做成硫酸镍钴等,又能回收成为电池材料或化工原料。湿法冶金需要有较大场地,且产生的废水量相当大,环保压力很大,治理成本费用高。”陈建军介绍道。

为解决传统电池回收工艺痛点,实现锂电池安全化、无害化处理,深圳清华大学研究院新能源与环保技术所研发团队研发了一项绿色回收工艺。与传统回收工艺相比,其一方面流程短、成本低,“主要是创新了除杂工艺,提高了除杂效率,优选碱浸、酸浸工艺大幅降低了酸碱用量”,另一方面“三废”少、更环保,“废气少、易处理;废固少,石墨负极废料、铝、铜、钢壳等残渣都实现绿色回收;几乎不排放废水。”陈建军解释道,“我们对失效电池先进行安全放电,再实施物理安全破碎。破碎后经过磁选、重选等多项分离工艺,譬如破碎后可从中分离出钢壳、铜箔、铝箔、隔膜以及黑粉(正负极混在一起的黑色粉末), 这个技术已经很成熟,分离得很干净。”据介绍,这项绿色回收工艺回收的动力磷酸铁锂电池,可实现毛利率100% 以上,三元锂电池回收可实现毛利率78% 以上,实现了“变废为宝,废物变为了金山银山”。“比如其中的锂100% 回收直接变为了高品质纳米磷酸铁锂正极材料,水几乎可以100% 回用。无废酸排放, 这是这项工艺最大的特点,经国内外科技情报文献检索,属于国内外首创。”陈建军进一步补充道。

据了解,该团队目前近30 人,一直从事新能源、新材料、绿色环保等技术研发,在电池绿色合成、绿色回收、循环利用、资源高值化等方面积累了一系列相关技术和产品,与企业展开了多个合作项目,共同开发绿色新产品、绿色新工艺。目前,技术团队组已完成了22 项绿色回收工艺等相关国家、行业以及团体标准的制订与编写,申请了20 多项国家发明专利。

上下游共同持股 打造闭环盈利模式

我国动力电池回收产业链包括所有的电池应用端、回收渠道、网络、梯次利用、预处理、材料再利用等多个环节,技术、数据、物流等壁垒重重,整个电池回收行业亟需加强上下游合作;与此同时,磷酸铁锂电池回收成本受材料价格波动影响较大,其回收成本中原材料成本约占26%。业界普遍认为,废旧磷酸铁锂电池的回收成本高于其回收收益,三元材料则有较大盈利空间,提高锂金属回收率将能提高回收收入。

据中国电池联盟发布的《动力电池回收行业报告》统计数据显示,从成本结构上分析,原材料成本占全部生产成本的80.52%,是成本的主要影响因素;改善回收技术及工艺提高锂金属回收率可提高毛利率, 未来若三元电池的锂金属回收率提高至90%,回收毛利率将提高至24%。该报告还对锂电池的梯次利用和回收进行了经济性测算。储能梯次利用盈利则受循环次数及峰谷差价等因素影响,从梯次利用电池循环寿命因素来看,当循环寿命大于2000 次时,储能系统能够回收成本;从峰谷差价因素来看,当差价在0.7 元/kWh 以上时,显著缩短回报周期。

“对于磷酸铁锂电池,我们的办法是不单独提取, 单独提取出来肯定不赚钱。我们直接把其中的锂做成产品,让锂没有损耗,形成综合回收;对于三元锂电池,我们用简单的两三步变出正极材料、三元材料、氢氧化铝,工艺非常短,基本没有排放”,陈建军介绍, “目前正极材料的报废量大概是20.3 千瓦时,市场空间今年是66 个亿,明年大概会到200 多亿,到2024 年2025 年大概有800 多亿至1000 个亿的市场,市场空间非常大。”据了解,前期该绿色回收工艺已分离出多种产品,市场广阔;再生三元前驱体和磷酸铁锂附加值高,实现了资源高值化。

“锂电池回收上下游密不可分。电池来源于电池生产企业,电池生产企业的材料来源于材料生产企业。我们在回收这个环节,处理得好的产品可以回到电池生产企业去,也就是回到材料生产企业,如此可实现形成一个闭环产业链。”陈建军进一步介绍道,“同时, 我们正在着力打造一个上下游共同持股经营模式。目前上游公司,具有国家工信部和商务部颁发整车拆解资质,也是国家发改委认定的电池回收循环经济利用唯一示范基地;下游企业则是目前全球石墨负极最大供应商和中国排名前二的磷酸铁锂电池正极材料供应商。我们的目的是打造一个上下游共同持股的闭环盈利模式。”

据了解,该技术团队组获得了2019 年深圳宝安创新创业大赛新能源节能环保行业一等奖,2019 年中国深圳创新创业大赛新能源节能环保行业一等奖,预期5 年内,完成投资5 亿元,实现产值30 亿元以上。该技术团队已经获得授权批准,建立了广东省锂电池电极活性材料工程研究中心、广东省能源转化和储存工程研究中心等创新平台,获得了具有对外检测第三方认可,国际互认的国家实验室能力认可的CNAS 实验室。正如陈建军所言,废旧锂电池绿色回收与资源高值化问题既有风险,也是机遇,“肩负历史使命与社会责任, 把潜伏的火山废山变为城市矿山金山”。

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