鉅大鋰電 | 點(diǎn)擊量：0次 | 2022年09月27日
盤(pán)點(diǎn)動(dòng)力鋰電池干濕法拆解、梯級(jí)利用
之所以要對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行回收，主要由兩部分驅(qū)動(dòng)：一是環(huán)保性，二是經(jīng)濟(jì)性。
電池中含多種有害物質(zhì)，隨意廢棄將對(duì)生態(tài)產(chǎn)生巨大影響。
大量的退役電池將對(duì)環(huán)境帶來(lái)潛在的威脅，尤其是動(dòng)力電池中的重金屬、電解質(zhì)、溶劑及各類(lèi)有機(jī)物輔料，如果不經(jīng)合理處置而廢棄，將對(duì)土壤、水等造成巨大危害且修復(fù)過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)、成本高昂，因此回收需求迫切。
鋰電池里面通常含有的物質(zhì)如下表格，根據(jù)2011版美國(guó)有害物質(zhì)列表數(shù)據(jù)，Ni、Co、磷化物得分超過(guò)1000，被認(rèn)為是高危物質(zhì)。如果廢舊鋰離子電池采取普通的垃圾處理方法（包括填埋、焚燒、堆肥等），其中的鈷、鎳、鋰、錳等金屬以及無(wú)機(jī)、有機(jī)化合物必將對(duì)大氣、水、土壤造成嚴(yán)重的污染，具有極大的危害性。
廢舊鋰離子電池中的物質(zhì)如果進(jìn)入生態(tài)，可造成重金屬鎳、鈷污染（包括砷），氟污染，有機(jī)物污染，粉塵和酸堿污染。廢舊鋰離子電池的電解質(zhì)及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物，如LiPF6、LiAsF6、LiCF3SO3、HF、P2O5等，溶劑及其分解和水解產(chǎn)物，如DME、甲醇、甲酸等，都是有毒有害物質(zhì)，可造成人身傷害，甚至死亡。
電池材料回收的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，主要?jiǎng)t在于材料再生價(jià)值和能量?jī)r(jià)值再挖掘。
這包括了三個(gè)方面：1、鋰電池在高端用電器上退役以后，依然可以滿(mǎn)足部分低端用電器的需求，通常是電動(dòng)玩具、儲(chǔ)能設(shè)施等，回收后的梯次利用能夠賦予鋰電池更多的價(jià)值，特別是退役動(dòng)力鋰電池；2、即使電學(xué)性能無(wú)法滿(mǎn)足更深層次的使用，但其中所含有的Li、Co、Cu等相對(duì)稀有的金屬依然具有再生價(jià)值；3、由于部分金屬還原耗能與金屬再生能量存在巨大差異，如Al、Ni、Fe，導(dǎo)致金屬回收具有能耗上的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
不同類(lèi)型鋰電池含有不同種類(lèi)金屬及其比例，1噸傳統(tǒng)消費(fèi)類(lèi)的鈷酸鋰電池中對(duì)應(yīng)約170公斤鈷金屬，而在銅、鋁、鋰方面，含量大都相似。因此，總體來(lái)看鈷酸鋰電池的回收價(jià)值將大于其余類(lèi)別，如磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池。
電芯在動(dòng)力電池成本中占比達(dá)到36％，若扣除毛利則電芯占比高達(dá)49％；在消費(fèi)類(lèi)電池中電芯成本占比更高。而在電芯中，富含鎳鈷錳等金屬元素的正極材料的成本占到了45％。
目前，資源化回收過(guò)程包括預(yù)處理和后續(xù)處理兩個(gè)階段。
預(yù)處理是將廢舊鋰電池放入食鹽水中放電，除去電池的外包裝，去除金屬鋼殼得到里面的電芯。
電芯由負(fù)極、正極、隔膜和電解液組成。負(fù)極附著在銅箔表面，正極附著在鋁箔表面，隔膜為有機(jī)聚合物；電解液附著在正、負(fù)極的表面，為L(zhǎng)iPF6的有機(jī)碳酸酯溶液。
后續(xù)處理環(huán)節(jié)是對(duì)拆解后的各類(lèi)廢料中的高價(jià)值組分進(jìn)行回收，開(kāi)展電池材料再造或修復(fù)，技術(shù)方法可分為三大類(lèi)：干法回收技術(shù)、濕法回收技術(shù)和生物回收技術(shù)。
干法回收技術(shù)是指不通過(guò)溶液等媒介，直接實(shí)現(xiàn)各類(lèi)電池材料或有價(jià)金屬的回收技術(shù)方法，主要包括機(jī)械分選法和高溫分熱解法。
干法熱修復(fù)技術(shù)可對(duì)干法回收得到的粗產(chǎn)品進(jìn)行高溫?zé)嵝迯?fù)，但產(chǎn)出的正、負(fù)極材料含有一定雜質(zhì)，性能無(wú)法滿(mǎn)足新能源汽車(chē)動(dòng)力電池的要求，多用于儲(chǔ)能或小動(dòng)力電池等場(chǎng)景，適合磷酸鐵鋰電池。
火法冶金，又稱(chēng)焚燒法或干法冶金，是通過(guò)高溫焚燒去除電極材料中的有機(jī)粘結(jié)劑，同時(shí)使其中的金屬及其化合物發(fā)生氧化還原反應(yīng)，以冷凝的形式回收低沸點(diǎn)的金屬及其化合物，對(duì)爐渣中的金屬采用篩分、熱解、磁選或化學(xué)方法等進(jìn)行回收。火法冶金對(duì)原料的組分要求不高，適合大規(guī)模處理較復(fù)雜的電池，但燃燒必定會(huì)產(chǎn)生部分廢氣污染環(huán)境，且高溫處理對(duì)設(shè)備的要求也較高，同時(shí)還需要增加凈化回收設(shè)備等，處理成本較高。
濕法回收技術(shù)是以各種酸堿性溶液為轉(zhuǎn)移媒介，將金屬離子從電極材料中轉(zhuǎn)移到浸出液中，再通過(guò)離子交換、沉淀、吸附等手段，將金屬離子以鹽、氧化物等形式從溶液中提取出來(lái)，主要包括濕法冶金、化學(xué)萃取以及離子交換等三種方法。
濕法回收技術(shù)工藝相對(duì)比較復(fù)雜，但該技術(shù)對(duì)鋰、鈷、鎳等有價(jià)金屬的回收率較高；得到的金屬鹽、氧化物等產(chǎn)品，高純度能夠達(dá)到生產(chǎn)動(dòng)力電池材料的品質(zhì)要求，適合三元電池，也是國(guó)內(nèi)外技術(shù)領(lǐng)先回收企業(yè)所采用的主要回收方法。
生物回收技術(shù)主要是利用微生物浸出，將體系的有用組分轉(zhuǎn)化為可溶化合物并選擇性地溶解出來(lái)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)組分與雜質(zhì)組分分離，最終回收鋰、鈷、鎳等有價(jià)金屬。目前生物回收技術(shù)尚未成熟，如高效菌種的培養(yǎng)、培養(yǎng)周期過(guò)長(zhǎng)、浸出條件的控制等關(guān)鍵問(wèn)題仍有待解決。
當(dāng)前回收效率更高也相對(duì)成熟的濕法回收工藝正日漸成為專(zhuān)業(yè)化處理階段的主流技術(shù)路線(xiàn)；格林美、邦普集團(tuán)等國(guó)內(nèi)領(lǐng)先企業(yè)，以及AEA、IME等國(guó)際龍頭企業(yè)，大多采用了濕法技術(shù)路線(xiàn)作為鋰、鈷、鎳等有價(jià)金屬資源回收的主要技術(shù)。
濕法技術(shù)進(jìn)行有價(jià)金屬回收后再造得到的正極材料，其比容量這一關(guān)鍵性能指標(biāo)均優(yōu)于干法技術(shù)修復(fù)后得到的正極材料。
對(duì)于三元電池來(lái)說(shuō)，相較于磷酸鐵鋰，它的電池壽命較短，三元材料電池80％循環(huán)壽命僅為800－2000次，且安全性存在一定風(fēng)險(xiǎn)，不適宜用于儲(chǔ)能電站、通信基站后備電源等應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜的梯次利用領(lǐng)域。
以三元523電池為例，每噸三元電池鎳、鈷、錳、鋰含量約為96、48、32、19千克，目前市場(chǎng)上鎳、鈷、錳的平均回收率可以達(dá)到95％以上，鋰的回收率在70％左右，金屬鋰、鈷、電解鎳和電解錳的市場(chǎng)價(jià)格分別為90萬(wàn)元／噸、48萬(wàn)元／噸、10萬(wàn)元／噸和1．7萬(wàn)元／噸。
動(dòng)力電池回收生產(chǎn)出來(lái)的硫酸鎳、硫酸鈷、硫酸錳等金屬鹽，可繼續(xù)加工處理生產(chǎn)出三元前驅(qū)體，具有明顯的增值空間。
以硫酸鎳的生產(chǎn)為例，通過(guò)廢舊動(dòng)力電池回收處理每噸鎳的成本在4萬(wàn)元以下，而直接通過(guò)鎳礦生產(chǎn)的成本在6萬(wàn)元以上。通過(guò)資源化回收獲得金屬原料的成本低于直接從礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)的成本，三元電池的資源化回收具有降低成本的意義。
考慮到三元電池回收企業(yè)在拆解貴金屬后以硫酸鹽的形態(tài)再銷(xiāo)售給下游企業(yè)，銷(xiāo)售價(jià)格應(yīng)該低于純金屬形態(tài)的市場(chǎng)價(jià)格，因此假設(shè)按市價(jià)70％的比率折價(jià)銷(xiāo)售，則三元電池的拆解收益為34000元／噸，因此到2023年僅三元電池的拆解市場(chǎng)規(guī)模預(yù)期可達(dá)54．1億元。
成本費(fèi)用方面，三元電池回收成本主要由生產(chǎn)成本、各類(lèi)費(fèi)用和稅費(fèi)構(gòu)成。
其中，生產(chǎn)（成本粗略估算）的構(gòu)成主要有：
材料成本（廢舊電池、液氮、水、酸堿試劑、萃取劑、沉淀劑等）20000元／噸；
燃料及動(dòng)力成本（電能、天然氣、汽油消耗等）650元／噸；
環(huán)境治理成本（廢氣、廢水凈化以及廢渣、灰燼處理）550元／噸；
設(shè)備成本（設(shè)備維護(hù)費(fèi)、折舊費(fèi)）500元／噸；
人工成本（操作、技術(shù)、運(yùn)輸人員等工資）400元／噸。
分?jǐn)偟墓芾砣藛T工資等管理費(fèi)用和銷(xiāo)售人員、包裝等銷(xiāo)售費(fèi)用約400元／噸；增值稅、所得稅4000元／噸。則三元電池的拆解成本合計(jì)為26500元／噸，按上述收益34000元／噸計(jì)算，拆解利潤(rùn)為7500元／噸，從上表也可以看出2023年對(duì)應(yīng)凈利潤(rùn)空間料將超10億元。
通過(guò)原料回收，鎳鈷錳等金屬元素可實(shí)現(xiàn)95％以上的回收率，經(jīng)濟(jì)效益顯著。經(jīng)由資源化回收，可以生產(chǎn)出鎳、鈷、錳及鋰鹽，甚至進(jìn)一步產(chǎn)出三元正極材料及前驅(qū)體，直接用于鋰電池電芯制造，具有構(gòu)建產(chǎn)業(yè)鏈閉環(huán)的重大意義。
磷酸鐵鋰電池：梯次利用百億市場(chǎng)潛力巨大
而對(duì)于磷酸鐵鋰電池來(lái)說(shuō)，就拆解回收而言，目前使用最廣泛的濕法回收磷酸鐵鋰電池的成本為8500元／噸左右，而貴金屬再生材料收益僅為8100元左右，因此拆借虧損約400元／噸。
因此，磷酸鐵鋰電池的回收主要不是通過(guò)拆解而是通過(guò)梯次利用。梯次利用可充分發(fā)揮其剩余價(jià)值，實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)最大化，降低儲(chǔ)能系統(tǒng)的建設(shè)成本。
梯次利用的循環(huán)體系
梯次利用指退役動(dòng)力電池經(jīng)過(guò)測(cè)試、篩選、重組等環(huán)節(jié)，再次用于低速電動(dòng)車(chē)、備用電源、電力儲(chǔ)能等運(yùn)行工況相對(duì)良好、對(duì)電池性能要求較低的領(lǐng)域。
目前梯次利用的主要領(lǐng)域仍在儲(chǔ)能和調(diào)峰。
而梯次利用流程首先是對(duì)退役動(dòng)力電池的篩選，2014年后投運(yùn)的動(dòng)力電池保守預(yù)計(jì)能夠梯級(jí)利用比例可達(dá)60％－70％。
然后是組串式應(yīng)用，將每輛電動(dòng)車(chē)上拆下來(lái)的一套動(dòng)力電池組作為單獨(dú)的單元，配以中小功率的儲(chǔ)能逆變器，形成一個(gè)基本的儲(chǔ)能單元，再將多個(gè)儲(chǔ)能基本單元集成在一起形成中大型儲(chǔ)能功率系統(tǒng)。
第三是充放電管理，目前的“削峰填谷”項(xiàng)目，以中國(guó)鐵塔為例，其鐵塔備電、削峰填谷站等儲(chǔ)備電量需求約8800kWh（目前主要使用壽命短、能量密度低、價(jià)格低的鉛酸電池），而隨著環(huán)保、效率等要求之下，對(duì)鉛酸電池的替代料將為動(dòng)力電池梯次利用打開(kāi)巨大的需求缺口。
目前以PACK（電池包，即多級(jí)串并聯(lián)電池構(gòu)成模組）＋BMS（電池管理系統(tǒng)）為主的梯次利用技術(shù)是較為主流的選擇。
PACK工序分為加工、組裝、包裝三大部分，其核心是將多個(gè)單一的電芯通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)串聯(lián)和并聯(lián)起來(lái)形成電池包。
具體操作過(guò)程中由于需要考慮整個(gè)電池包的機(jī)械強(qiáng)度、系統(tǒng)匹配等問(wèn)題，需要涉及熱管理、電流控制與檢測(cè)、模組拼裝設(shè)計(jì)以及計(jì)算機(jī)虛擬開(kāi)發(fā)等大量的成熟技術(shù)相互交叉協(xié)作，是梯次利用過(guò)程中的高門(mén)檻環(huán)節(jié)。
BMS電池管理系統(tǒng)的主要功能是智能化管理及維護(hù)各個(gè)電池單元，防止電池出現(xiàn)過(guò)充電和過(guò)放電，并實(shí)時(shí)監(jiān)控電池狀態(tài)，從而起到保護(hù)電池使用壽命的作用。
BMS是管理系統(tǒng)、控制、顯示、通信、信息采集模組的集合，起到了銜接整車(chē)、電池和整個(gè)電池系統(tǒng)的紐帶作用，對(duì)于電池廠(chǎng)商而言，BMS體現(xiàn)了廠(chǎng)商的核心技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力，而對(duì)于動(dòng)力電池梯次利用而言，BMS則決定了再利用電池的適用范圍、壽命和整體價(jià)值。
狹義的梯次利用僅指電池的重組再利用，而當(dāng)前磷酸鐵鋰電池的梯次利用回收利用體系已經(jīng)形成，其內(nèi)涵已經(jīng)成為圍繞著可利用資源展開(kāi)的全周期、多層次的利用。
當(dāng)車(chē)輛進(jìn)入報(bào)廢期后（一般車(chē)的使用壽命比電池長(zhǎng)），將經(jīng)歷：
（1）高性能電池篩選：車(chē)企、汽車(chē)拆解廠(chǎng)和部分回收企業(yè)會(huì)將報(bào)廢電池中一致性較高、性能相對(duì)較好的電池通過(guò)檢測(cè)等方式篩選出來(lái)，配組或委托其他企業(yè)配組為電池組，進(jìn)而出售給下游以中國(guó)鐵塔為代表的梯次利用企業(yè)。
（2）拆解：對(duì)于狀態(tài)較差、沒(méi)有直接利用價(jià)值的電池，多數(shù)會(huì)歸集到第三方回收企業(yè)手中，回收企業(yè)利用物理法或濕法進(jìn)行拆解再利用，將其中的銅、鋁、隔膜等原材料提取并直接銷(xiāo)售，磷酸鐵鋰電池的正極材料粉、負(fù)極材料粉將進(jìn)入修復(fù)階段。
（3）修復(fù)：修復(fù)的目的是為了將磷酸鐵鋰的材料粉進(jìn)一步提純，以獲得更高的售價(jià)。同時(shí)，梯次利用后退役的電池將同樣接收拆解／修復(fù)等流程，實(shí)現(xiàn)多維度的層層利用。
整個(gè)循環(huán)流程中，一般的回收企業(yè)有三個(gè)盈利點(diǎn)，即
（1）出售初次篩選狀態(tài)較好、能夠直接梯次利用的電池；
（2）出售拆解后的原材料；
（3）出售修復(fù)過(guò)的正／負(fù)極材料。
但目前梯次利用由于技術(shù)和商業(yè)化兩方面問(wèn)題。從技術(shù)角度來(lái)看，由于動(dòng)力電池一致性較差、壽命不一，BMS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)將會(huì)和電池實(shí)際狀況發(fā)生背離，從而使進(jìn)行梯次利用過(guò)程中面臨安全、產(chǎn)品品質(zhì)等方面的挑戰(zhàn)。
從商業(yè)化角度來(lái)看，一方面目前梯次利用的產(chǎn)物標(biāo)準(zhǔn)化程度相對(duì)較低，另一方面因?yàn)殡姵匦吞?hào)不一，配組時(shí)需要的電池量基數(shù)將很大，則篩選、配組和加工成本仍相對(duì)較高，只有少數(shù)技術(shù)成熟的企業(yè)才能獲取經(jīng)濟(jì)效益。
盡管如此，目前已經(jīng)有多家行業(yè)龍頭與中國(guó)鐵塔等下游利用企業(yè)達(dá)成了研究和應(yīng)用的戰(zhàn)略合作協(xié)議，隨著動(dòng)力電池各類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的不斷出臺(tái)和實(shí)施，電池的一致性將大幅提高，而緊密的合作關(guān)系將使梯次利用的應(yīng)用問(wèn)題在未來(lái)迎刃而解。從經(jīng)濟(jì)性方面考量，通過(guò)測(cè)算磷酸鐵鋰電池的梯次利用空間。
假設(shè)使用PACK＋BMS技術(shù)進(jìn)行梯次利用，PACK的成本大約在0．3元／Wh，BMS成本在0．1元／Wh，廢舊磷酸鐵鋰電池回收成本在0．05元／Wh，磷酸鐵鋰電池梯次利用成本合計(jì)約為0．45元／Wh，梯次利用的收益為0．6元／Wh。假設(shè)磷酸鐵鋰電池的能量密度為110Wh／kg，回收廢舊電池的能量衰減至70％，梯次利用的收益空間有望在2023年超過(guò)50億元。
不管是梯級(jí)利用，還是拆解，我們都可以看到了一個(gè)新的藍(lán)海，在未來(lái)幾年會(huì)逐步打開(kāi)，抓住這個(gè)機(jī)遇的人，一定可以會(huì)有不少斬獲。
