動力鋰離子電池規范回收利用的效益及對策

劉 宜,尚 閩,2*,譚 剛,劉海鯊

(1. 四川省固體廢物與化學品管理中心,四川 成都 610031; 2. 四川大學建筑與環境學院,四川 成都 610065)

作為新能源汽車的核心部件,動力鋰離子電池生產、使用、回收、處置情況受到廣泛關注。 新能源汽車動力電池一般使用年限為5～8 a,對容量的要求較高,電池容量衰減至70%～80%時,將不再適用于新能源汽車。 2020-2021 年,我國迎來第一批動力電池“退役”高峰,廢舊動力鋰離子電池的回收及資源化循環利用成為關注重點[1]。

動力鋰離子電池以含鋰的活性成分為核心材料,主要由外殼、正極、負極、電解液和隔膜等組成。 常用正極材料有鎳鈷錳酸鋰、鎳鈷鋁酸鋰、磷酸鐵鋰或錳酸鋰等,負極材料以碳為主,如石墨,也有銅箔、硅碳合金和鈦酸鋰等[2]。 退役后的廢舊動力鋰離子電池仍有較高的回收再利用價值,可進行梯次或再生利用[3]。 如得不到有效回收處理,可能會對土壤、水體乃至人體健康產生危害[4]。 為推動新能源汽車產業高質量發展,工信部《新能源汽車廢舊動力蓄電池綜合利用行業規范條件(2019 年本)》[2]規定了再生鋰、鎳、鈷的回收率分別不得低于85.0%、98.5%、98.5%。 為促進廢舊動力鋰離子電池循環再生利用,2022 年1 月1 日實施的歐盟新電池法規要求,到2030 年,電池生產中鈷、鎳、鋰的再生材料使用量占比分別不得低于12%、4%、4%[5]。 目前,我國電池行業鈷的回收量僅占消費量的20%左右,鋰的回收量約占5%[6]。

本文作者對廢舊動力鋰離子電池回收利用效益價值進行定量評估,分析我國廢舊動力鋰離子電池回收利用存在的問題,并提出針對性的對策建議。

1 減污降碳綜合效益評估

1.1 經濟效益

中國汽車技術研究中心公布的數據顯示,2021 年國內累計退役的動力鋰離子電池約32×104t,到2025 年我國動力鋰離子電池累計退役量預計約78×104t,可從中回收鋰1.43×104t、鈷1.76×104t、鎳4.68×104t 和錳1.76×104t,分別占相應金屬需求量的27.7%、55.5%、28.7%和47.9%,充分使用再生金屬,可節約大量原礦資源開采和進口[7]。 據統計,動力鋰離子電池回收市場規模在2022 年為154 億元,預計2025 年將達350 億元,2030 年將超過1 000 億元[8]。

1.2 減污效益

廢舊動力鋰離子電池內含有電路板等廢物,正極材料含有大量鎳、鈷、錳等重金屬,電解液含有碳酸二乙酯、碳酸二甲酯等危險化學品,以及六氟磷酸鋰等含氟鹽類,易分解形成氟化氫、氟化鋰、五氟化磷等物質(見表1)。

表1 相關危險化學品危險特性[9]Table 1 The characteristics of relevant hazardous chemicals[9]

研究表明,4 000 t 廢舊動力鋰離子電池可拆解產生1 100 t 重金屬和超過200 t 的電解液[11]。

按照2025 年預計退役量78×104t 計算,我國廢舊動力鋰離子電池將拆解產生21.45×104t 重金屬和3.90×104t 電解液。 這些有毒物質難以降解,必須規范廢舊動力鋰離子電池的回收利用,才能減少污染物排放,降低環境風險。

1.3 降碳效益

從原礦中獲取動力鋰離子電池所需的高純度金屬鹽,提取難度大。 以鎳為例,我國儲備最多的紅土鎳礦,鎳含量僅為2%～3%[12]。 動力鋰離子電池在使用過程中并不會消耗鋰資源,且能夠通過廢舊電池回收環節分離出高純度鋰原料,鋰再生過程的碳排放量遠低于原礦提煉。 P.Nuss 等[13]發現,從礦石原料開采生產1.0 kg 的鋰、鈷、鎳和錳,將分別排放7.1 kg、8.3 kg、6.5 kg 和1.0 kg 的CO2。 李建西等[14]發現,1 GW·h 容量的廢舊三元鋰離子電池再生產出的鋰、鈷、鎳和錳等材料,原生生產過程中的CO2排放量為2.43×107kg,廢舊三元鋰離子電池回收、拆解和再生利用產出再生材料過程產生的CO2排放量為0.72×107kg,廢舊三元鋰離子電池材料的再生利用可減少CO2排放1.71×107kg。

對以上數據分析計算可知,廢舊三元鋰離子電池材料再生利用過程,CO2的排放量比原生生產過程減少70%。 假設鋰、鈷、鎳和錳等材料的減排比例都是70%,則從廢舊動力鋰離子電池中再生回收1.0 kg 的鋰、鈷、鎳和錳,對應CO2減排量分別為5.0 kg、5.8 kg、4.6 kg 和0.7 kg。 根據預測退役量計算可知,2025 年從廢舊動力鋰離子電池中回收利用鋰、鈷、鎳和錳的CO2減排潛力分別為7.2×104t、10.2×104t、21.5×104t 和1.2×104t,共可減少40.1×104t CO2的排放。

2 回收利用存在的問題

廢舊動力鋰離子電池回收利用產業得到廣泛關注,發展速度也很快,但仍存在一些問題。

2.1 生產處理能力不匹配,區域布局不均衡

廢舊動力鋰離子電池回收利用市場前景廣闊,大量企業紛紛涌入,包括電池用戶、電池生產企業、材料企業、儲能企業、設備制造商和車企等。 有數據顯示[15],截至2023 年2 月底,全國現有與擬新建的廢舊動力鋰離子電池回收處理企業共145 家,規劃建設產能987.5×104t,環評批復產能469.2×104t,回收利用產能已超過退役量。 在農村地區和西部地區,由于收集和運輸距離長、數量少等因素,規范開展廢舊動力鋰離子電池回收利用存在困難。 截至2022 年11 月,工信部公布的88 家符合《新能源汽車廢舊動力蓄電池綜合利用行業規范條件》企業(白名單企業)[16],西部地區僅6 家。

西部地區鋰礦資源豐富,動力鋰離子電池產能發達,目前,四川省動力電池總產能達到186 GW·h,全國六分之一的動力電池產自四川省[17]。 利用處置能力分布不均,導致西部地區動力鋰離子電池產業鏈回收利用環節薄弱,未實現從上游到下游的縱向整合,不利于資源高效循環利用。 廢舊動力鋰離子電池化學特性活潑,遇高溫、擠壓和撞擊時,極易失控、著火甚至爆炸,長時間貯存、長距離運輸環境風險隱患突出。

2.2 利用標準不完善,技術儲備不充足

梯次利用是廢舊動力鋰離子電池首選的高效利用方式。目前,動力鋰離子電池型號標準不一,一致性較差,導致對退役電池進行檢測和分類的難度和成本較高。 電池剩余壽命及一致性評估等技術不成熟,梯次利用的安全性、市場成熟度等因素,困擾著統一標準的制定。

再生利用技術盡管已有一定應用,但存在工藝穩定性不強、多種電池處理技術兼容性不高等問題,有價金屬高效提取等關鍵共性技術和裝備有待突破。 如磷酸鐵鋰鋰離子電池沉淀所得鋰鹽純度難以控制;70%企業采用濕法回收工藝,但僅回收金屬鋰,未回收磷酸鐵(含量95%)等主要成分;三元材料鋰離子電池成分復雜,工藝穩定性不足;再生利用須有萃取、蒸發等針對性工藝,流程較長,處理成本較高等。

2.3 規范處置率低,環境風險隱患突出

鋰離子電池產業的強勢發展,帶動鋰原料價格大幅上升和劇烈波動。 以碳酸鋰為例,2021 年初,電池級產品的價格為5 萬元/t,2022 年10 月突破52 萬元/t,到2023 年6 月又回落到約15 萬/t。 在價格刺激下,“低成本、高競價”模式將擾亂市場秩序,擠壓白名單企業的生存空間。 流入不規范處理渠道的廢舊動力鋰離子電池,主要采用簡單的拆卸處理方式,回收鋰鹽等有價物質后,其他部分多作為垃圾丟棄。 隨意丟棄動力電池,會污染土壤和水源,而焚燒將導致有毒氣體逸散。 部分電池包拆解成電池模組后,未按梯次利用標準規范進行檢測評估,而是組裝成不同規格的“新”電池,用于低速電動自行車、電動三輪車、家庭儲能和備用電源等,導致安全隱患突出。 白名單企業卻面臨回收數量不足、貨源供應不上等困境,大量廢舊動力鋰離子電池得不到規范再生利用。

3 對策建議

促進廢舊動力鋰離子電池回收處理行業規范發展,應加強部門間聯動,與“十四五”時期“無廢城市”建設、廢舊物資循環利用體系示范城市建設、近零碳示范區等工作有機融合,凝聚合力,共同發力。

3.1 引導行業有序發展,補齊區域處理能力短板

借助成渝地區雙城經濟圈等建設契機,在西部鋰礦資源豐富地區合理布局廢舊動力電池回收利用企業,可增強區域產業鏈薄弱環節,打造形成“鋰礦-鋰鹽-鋰離子電池-再生鋰”的閉環產業鏈,實現資源高效循環。 深入開展廢舊動力鋰離子電池報廢產生量和回收利用能力調研,可進一步優化廢舊動力鋰離子電池處置利用能力布局,避免盲目投資行為。 將廢舊動力鋰離子電池循環利用體系建設,納入“無廢城市”建設和廢舊物資循環利用體系示范城市建設體系,列入重點任務或重點項目清單,形成可落地、可實施、有保障的建設任務。 根據廢舊鉛酸電池、廢舊動力鋰離子電池、廢棄電器電子產品、報廢機動車等“資源型”固體廢物報廢、回收、環境風險的共性,整合回收處理渠道,構建廢舊動力鋰離子電池等“一站到達”的綜合利用企業模式,培育“城市礦山”再生利用基地。 鼓勵就近進行梯次利用和再生利用,減少環境風險,形成成渝地區雙城經濟圈等共建環保產業的亮點。

3.2 完善利用標準體系,提高再生利用效率

推動廢舊動力鋰離子電池梯次利用、再生利用等國家、地方和行業標準的不斷完善,實現廢舊動力鋰離子電池回收處理標準化、綠色化、產業化。 按照梯次利用、物理分解、化學處理的梯次推進原則,提高廢舊電池再利用、再循環效率。廢舊動力鋰離子電池經檢測和性能評估,能夠梯次利用的,用于電力系統儲能、通信基站備用電源、低速電動車和小型分布式家庭儲能等領域;不能梯次利用的,優先通過物理破碎分選的方式,分離收集電極材料、塑料隔膜、電池外殼等組件;難以物理分選的部分,可通過化學處理技術,提取鋰、鈷、鎳和石墨等有價資源,實現資源利用最大化,提高低碳指數。

支持龍頭企業、科研機構、行業平臺開展廢舊動力鋰離子電池再生利用關鍵共性技術研究,加大瓶頸技術攻關、技術集成示范和科技成果轉化。 重點研究適用于磷酸鐵鋰鋰離子電池的材料再生技術,支持對有價元素高效提取、殘余物質無害化處置等關鍵瓶頸技術攻關。 推廣安全環保高效的協同處理新技術,如結合水泥行業生產設施及技術特點,利用低含氧量的水泥窯高溫煙氣對廢舊動力鋰離子電池焙燒處理,利用水泥窯協同處置含氟有機尾氣等,降低處理運行成本和設備投資,同時降低環境風險。

3.3 健全回收處理體系,防范環境安全風險

進一步完善廢舊動力鋰離子電池回收處理體系,促進廢舊動力鋰離子電池回收處理行業長期、穩定和健康發展。 在國家政策層面,出臺生產者責任延伸制度,加快制定新能源汽車動力蓄電池回收利用管理辦法等,重點推動寧德時代等“鏈主企業”開展自主回收。 鼓勵新能源汽車生產企業、動力鋰離子電池生產企業等設定回收目標,在粵港澳大灣區、京津冀城市群、成渝地區雙城經濟圈等大型城市群分散建立區域性處置利用設施,或與白名單企業合作。 試點推行電池回收“押金制度”和獎勵制度,建立線上回收交易平臺,適當補貼通過規范渠道交售廢舊動力鋰離子電池的車主和企業,多效合力促進廢舊動力鋰離子電池流入規范回收處理渠道,減少非法拆解,增加回收資源并消除環境風險。 依托國家、省級固體廢物環境管理信息系統等信息平臺,構建電池強制備案信息清單,加強溯源管理,實現廢舊動力鋰離子電池的去向可追、節點可控、責任可究。

4 結論

我國動力鋰離子電池產業發展迅速。 由于相關政策措施技術標準配套不及時、不完善等原因,目前,廢舊動力鋰離子電池回收利用行業存在生產處理能力不匹配、區域布局不平衡、利用標準不完善、再生技術儲備不足、規范處置率低、環境風險隱患突出等問題。 廢舊動力鋰離子電池的回收利用具有巨大的環境和社會效益,預計到2025 年,可從廢舊動力鋰離子電池中回收鋰、鈷、鎳、錳共9.63×104t,減少CO2排放40.10×104t。 迫切需要完善回收、利用處置、政策保障體系等制度措施,挖掘廢舊動力鋰離子電池利用價值,打造特色“近零碳排放產業”,實現加快發展循環經濟,加強資源綜合利用的目標,并起到減污降碳、協同增效的作用。

致謝:感謝四川長虹格潤環?？萍脊煞萦邢薰驹谡{研過程中提供的支持和幫助。