2023年動力電池回收主要技術路線解析

時間:2023-04-28 17:48來源:電池聯盟 作者:松松
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在雙碳目標驅動下的新能源汽車行業(yè),動力電池裝機量攀升,帶動動力電池回收行業(yè)崛起,預計2025年我國動力電池退役量將超過60GWh,市場規(guī)模達百億。同時,動力電池回收也是解決環(huán)保問題、補充上游資源的重要手段。

 

根據工信部出臺的《新能源汽車廢舊電池動力蓄電池綜合利用行業(yè)規(guī)范條件(2019年本)》,綜合利用主要包括梯次利用和再生利用?傮w來看,國內梯次利用尚處于探索階段,主要以示范項目為主,暫未形成完整的商業(yè)模式。而以拆解回收為主的再生利用模式,則是當前直接經濟效益最高的回收方式。

 

對于再生利用模式,正極價值量高,是當前主要的回收重點。目前正極材料的再生利用方法主要有物理回收和濕法回收、火法回收,三種方法的核心區(qū)別在于提取金屬的關鍵工藝不同。對于負極、電解液和隔膜等價值相對較低主材的再生利用,產業(yè)化進程正在逐步推進。經測算,三元電池拆解再生比磷酸鐵鋰電池更具有市場經濟競爭性。

 

一、三種再生利用方式的優(yōu)劣對比

 

動力電池拆解回收是指將已經報廢的動力電池集中回收,通過工藝技術回收電池中的鎳、鈷、錳、 銅、鋁、鋰等金屬,再將這些材料循環(huán)利用。和磷酸鐵鋰電池對應,三元電池稀有金屬含量高,回收價值大,且循環(huán)壽命少,熱穩(wěn)定性差,更適合拆解回收。動力電池電解材料的回收工藝主要包括物理回收、濕法回收、火法回收。

 

物理回收是將廢舊動力電池內部成分,如電極活性物質、集流體和電池外殼等組分經過破碎、過篩、磁選分離、精細粉碎和分類等一系列手段,得到有價值產物,然后再進行下一步回收的過程。核心工藝為粉碎篩選后進行材料修復,是比較純粹的物理過程,代表企業(yè)為賽德美。優(yōu)點是可全組分、全自動、無污染拆解,可回收磷酸鐵鋰電池,經濟性好。缺點是人工強度大,其他有價金屬回收困難。

 

濕法回收是將廢舊電池拆解預處理后溶于酸堿溶液中,萃取出部分有價值金屬元素,再經過離子交換法和電沉積等手段,提取出剩余有價值金屬,主要包括化學沉淀、溶劑萃取及離子交換等三種方法。濕法核心工藝是對電極粉加入化學試劑浸出和提取,代表企業(yè)為光華科技、格林美、華友鈷業(yè)、邦普循環(huán)、天奇金泰閣、光華科技、贛州豪鵬、芳源環(huán)保和海外公司Li-Cycle等。優(yōu)點是設備和操作要求低,化學反應選擇多,產品純度高,對于電池重金屬物質回收效率高。缺點是工藝流程長,回收過程涉及腐蝕性溶劑,存在廢液污染等問題。

 

火法回收是指不通過溶液等媒介,直接實現各類電池材料或金屬的回收,主要包括機械分選法和高溫電解法。一般需要剝去電池外殼,將電池內芯與焦炭、石灰石混合,經還原焙燒,得到金屬鋰、鈷、鎳、鋁等組合成碳合金;電解質中的氟、磷等被固化在爐渣中,可用于建筑材料或混凝土的添加劑。然后進行深加工處理,整個過程在高溫下完成。火法核心工藝是高溫熱解,從而得到金屬氧化物,代表企業(yè)為中偉循環(huán)、優(yōu)美科。優(yōu)點是工藝簡單,可回收汞、鎳、鋅更多的重金屬;缺點是收率較低,能耗較高,且會產生一定的廢棄污染。

 

二、濕法回收是當前主流技術路線

 

從當前再生利用的技術路線對比來看,濕法回收對金屬元素的回收率高,再制備產品的純度高,已成為業(yè)內主流的技術路線。

 

法回收的成本主要是由化學試劑與能源費用組成。一方面,濕法冶金需要消耗大量的化學試劑,這使得企業(yè)的濕法冶金成本將會受到硫酸、氫氧化鈉等化學試劑價格波動的影響;另一方面,濕法回收屬于高能耗行業(yè),企業(yè)的能源費用普遍較高。以德國動力電池回收企業(yè)Primobius于2020年的濕法回收成本情況來看,化學試劑與能源費用的成本占比分別為33.4%、26.4%,合計占比高達59.8%。因此,提高化學試劑的使用效率、降低再生利用環(huán)節(jié)的能耗成本將是各動力電池回收企業(yè)構筑成本優(yōu)勢的著力點

 

圖片

 

濕法回收的工藝類型主要包括無機酸浸透、有機酸浸、堿浸、還原性浸出和強化浸出。
 
傳統(tǒng)無機酸如鹽酸、硫酸及硝酸等雖已被廣泛用作浸出劑,但其帶來的設備腐蝕、二次污染等缺點限制了其進一步推廣。
 
有機酸因其擁有良好的生物降解性和較低的二次污染,近年來得到廣泛探索。此外,部分有機酸還能和金屬離子發(fā)生螯合作用,有助于金屬進一步分離與提純。常用的有機酸包括檸檬酸、蘋果酸、草酸、乙酸和抗壞血酸,并且在不同研究中都體現出較好的金屬浸出效果。
 
近年來基于銨/氨化合物的堿浸出工藝也得到了發(fā)展,其機理主要是銨離子與金屬發(fā)生配位,使得部分過渡金屬在堿性條件下得到選擇性浸出,同時實現了金屬的浸出和選擇性分離。有學者發(fā)現,電池中的過渡金屬元素處于低價態(tài)時在水中擁有更高的溶解度,而通過降低氧化還原電位、pH及溫度等條件有助于得到易溶的低價金屬。因此,過氧化氫、亞硫酸氫鈉、葡萄糖及抗壞血酸等還原劑被添加到浸出體系中,發(fā)展成了新的還原性浸出工藝。
 
在使用傳統(tǒng)濕法回收浸出工藝的過程中,為了提升浸出率和金屬回收率,會加上諸如超聲、機械化學法等方式,加速固液之間的對流傳質,同時作用于金屬晶體表面促進材料溶解,從而達到增加浸出率的目的。
 
三、動力電池回收行業(yè)發(fā)展前瞻
 
退役動力鋰電池回收問題迫在眉睫,當前時點,非正規(guī)回收渠道和不合規(guī)回收手段擾亂行業(yè)秩序,環(huán)保問題、鋰電池回收的安全性、資源回收的經濟性是鋰電回收業(yè)務發(fā)展的痛點問題。
 
在政府層面,需要加快推進動力電池回收利用立法,強化監(jiān)管流程。歐洲、美國、日本等地區(qū)/國家的電池回收法律體系相對完善,利用法律強制力對各個環(huán)節(jié)和主體進行要求,充分實施生產者責任延伸制度。
 
與海外較為成熟的電池回收法律體系相比,我國缺乏針對性的法律,涉及的多為環(huán)境保護類的綜合性法律,內容寬泛且基礎,難以有效支撐動力電池回收產業(yè)的健康發(fā)展,亟需加強該領域的立法建設。
 
在行業(yè)層面,需要建立健全電池回收領域的標準體系。2021年,我國動力電池回收行業(yè)新增企業(yè)注冊量1.07萬家,同比高增661.5%,但目前進入工信部白名單的企業(yè)僅88家,其他多為小作坊。行業(yè)體系尚不健全,回收渠道問題依然突出。
此外,需要加快動力電池回收行業(yè)在管理規(guī)范、梯次利用、再生利用等細分環(huán)節(jié)的標準制定,按照急用先行原則,重點開展回收服務網點建設、剩余容量評估、快速檢測分選、無害化破碎分選、再生利用產品碳足跡等標準編制;強化動力電池全生命周期管理,推動建立覆蓋電池設計、生產、使用、回收再利用等全過程的統(tǒng)一標準化體系,在電池設計早期就將后續(xù)的回收再利用考慮進去。
 
四、結語
 
根據白皮書的數據,預測2022年中國鋰電池回收的理論市場規(guī)模達482.9億元,到2025年將達到784.1億元,2022-2025年復合增長率達17.5%。
 
結合過去五年我國新能源汽車的銷量快速增長,并帶動動力電池市場需求增速提升的背景,預計2022-2025年動力電池的理論回收量分別為42萬噸、54萬噸、60萬噸、120萬噸,2021-2025年復合增長率達42%。對應地,預測2025年動力電池回收的市場規(guī)模有望達到500億元。
 
總之,隨著未來回收技術的不斷突破和行業(yè)管理的規(guī)范化、回收布局的完善化,動力電池回收行業(yè)將逐漸變成一個高景氣高發(fā)展的行業(yè)。
 

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(責任編輯:子蕊)
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