從“雙碳”目標(biāo)、資源安全、環(huán)境污染、產(chǎn)業(yè)發(fā)展等角度來(lái)看，電池回收勢(shì)在必行。7月17日，中國(guó)工程院外籍院士，加拿大工程院院士，加拿大皇家科學(xué)院院士徐政和在“2024中國(guó)國(guó)際新型儲(chǔ)能發(fā)展峰會(huì)（INES2024）”上，圍繞動(dòng)力電池電池回收的必要性、回收現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)、可靠閃碎和材料修復(fù)技術(shù)發(fā)展前景等作了深度解讀。

01“雙碳”+能源結(jié)構(gòu)+資源安全，電池回收勢(shì)在必行

雙碳是全球必須面對(duì)的，而中國(guó)是碳排放大國(guó)之一，2020年全球排放是370億噸二氧化碳，中國(guó)釋放了113億噸，位居全球第一，2023年中國(guó)占比更多，34%左右。為了實(shí)現(xiàn)雙碳，全球能源結(jié)構(gòu)都在發(fā)生非常深刻的變化：到2050年時(shí)，電力和氫能在能源消費(fèi)占比中將增加至50%以上。根據(jù)目前的發(fā)展趨勢(shì)，全球發(fā)電結(jié)構(gòu)也在發(fā)生深刻的變化，目前29%是可再生能源，到2050年時(shí)可再生能源的量將會(huì)占比86%（83千億千瓦時(shí)）?？稍偕茉粗饕翘?yáng)能和風(fēng)能，對(duì)未來(lái)實(shí)現(xiàn)雙碳起著非常關(guān)鍵的作用。

中國(guó)也在積極地發(fā)展可再生能源，我國(guó)是煤炭大國(guó)，所以我們很大一部分的能量是來(lái)自于煤炭，隨著雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，必須要轉(zhuǎn)型。從2023年來(lái)看，我國(guó)太陽(yáng)能產(chǎn)能是5833億千瓦時(shí)，風(fēng)能達(dá)到了8000多億千瓦時(shí)，未來(lái)太陽(yáng)能占比會(huì)更大，所以發(fā)展太陽(yáng)能和風(fēng)能是我國(guó)實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的重要途徑，并不是唯一，但是非常重要。太陽(yáng)能和風(fēng)能是不穩(wěn)定不可持續(xù)的能量，要把這個(gè)能量用好用起來(lái)，儲(chǔ)能必不可少。

從能量的產(chǎn)生來(lái)看，太陽(yáng)能、海洋能、風(fēng)能等，到用戶(hù)端要穩(wěn)定地供能，要用可移動(dòng)的電源包括低空經(jīng)濟(jì)，其實(shí)低空經(jīng)濟(jì)的核心之一是能源的提供，包括5G通訊、3C產(chǎn)品等都需要穩(wěn)定的能量，所以?xún)?chǔ)能在能量產(chǎn)生、制造、利用之間起著非常重要的橋梁作用，這體現(xiàn)了電池的重要性。

電池本身是有使用壽命的，商用車(chē)是3-5年，乘用車(chē)是5-8年，在我國(guó)大力發(fā)展新能源電車(chē)的趨勢(shì)下，2025年會(huì)發(fā)生大量電池退役。2020年中國(guó)累計(jì)退役動(dòng)力電池已經(jīng)超過(guò)20萬(wàn)噸，市場(chǎng)規(guī)模是130億，預(yù)計(jì)2025年會(huì)達(dá)到400億，2030年是1500億。從動(dòng)力電池市場(chǎng)來(lái)看，全球電動(dòng)車(chē)鋰離子電池消耗量年增長(zhǎng)率26%，磷酸鐵鋰和三元材料的應(yīng)用，低空經(jīng)濟(jì)的發(fā)展等都使電池回收市場(chǎng)規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大。

以特斯拉為例，一輛Model S型的特斯拉需要7104節(jié)18650電池，Model Y需要734節(jié)4680電池，把制造這些電池所需要的關(guān)鍵元素算一下，S型的電車(chē)?yán)镎龢O材料需要鋰8.5kg，鈷9kg、鎳48kg、鋁1.3kg，Y型的正極材料需要鋰10.9kg、鈷11kg、鎳74.6kg、鋁10.5kg，每一輛車(chē)需要這么多的關(guān)鍵元素，這些元素從哪里來(lái)？大部分是采礦，但每年鋰、鈷、鎳的資源都會(huì)增長(zhǎng)，尤其是鎳，從2021年1.9萬(wàn)噸到2025年7.1萬(wàn)噸。我國(guó)關(guān)鍵元素的自產(chǎn)占比非常低，鎳鈷錳鋰的金屬礦產(chǎn)資源對(duì)外依存度已經(jīng)超過(guò)50%的警戒線(xiàn)，達(dá)到了70%。

為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，減少環(huán)境影響，電池中的所有關(guān)鍵元素就一定要循環(huán)利用起來(lái)，所以資源循環(huán)利用是可持續(xù)發(fā)展的核心。從資源發(fā)展的角度，為了保證資源安全，電池回收勢(shì)在必行。2022年12月，美國(guó)Redwood Materials公司表示，將斥資35億美元制造電池回收工廠(chǎng)，目標(biāo)是要顛覆美國(guó)電動(dòng)汽車(chē)的供應(yīng)鏈，為了循環(huán)可持續(xù)發(fā)展。2023年回收了10GWh電池，其中有44000噸材料用來(lái)制備10萬(wàn)輛特斯拉的車(chē)，所以回收是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。從環(huán)境污染的角度來(lái)講，電池易燃易爆、安全存放難，重金屬含量高，這樣會(huì)污染土壤、水體，電解液分解也會(huì)對(duì)大氣產(chǎn)生污染，特別是含氟的電解液分解以后會(huì)產(chǎn)生氫氟酸造成污染。從環(huán)境的角度來(lái)講，動(dòng)力電池回收同樣是勢(shì)在必行。

從產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求來(lái)講，去年8月17日歐盟發(fā)布了《歐盟新電池法案》，其中一個(gè)要求是從2031年8月18日起，電動(dòng)車(chē)電池、啟動(dòng)、照明和點(diǎn)火電池等容量超過(guò)2kWh時(shí)，制備這個(gè)電池必須用到回收的關(guān)鍵元素，其中鈷16%、鋰6%、鎳6%、鉛85%，要不然產(chǎn)品沒(méi)法銷(xiāo)售到歐洲，到2036年要求使用回收資源比例大大增加，如果產(chǎn)品要去國(guó)際市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)，必須要回收，所以電池回收非常重要。

02  電池回收現(xiàn)狀，多個(gè)環(huán)節(jié)面臨技術(shù)挑戰(zhàn)

從鋰離子電池全生命周期價(jià)值鏈來(lái)看，電池性能會(huì)慢慢衰減，容量低于80%，但超過(guò)20%時(shí)，電池梯次利用，可延長(zhǎng)電池生命周期。電池梯次利用的企業(yè)主要是集中在廣東和江蘇，最典型的就是格林美、安徽巡鷹、蜂巢。當(dāng)電池容量低于20%，那就必須回收，可采用火法冶金、預(yù)處理后濕法冶金或直接再生等手段實(shí)現(xiàn)資源閉路循環(huán)利用?；鸱ú恍枰A(yù)處理工序；濕法要預(yù)處理放電、分篩、熱解，得到黑粉再進(jìn)一步得到需要的關(guān)鍵元素；直接再生最理想。

動(dòng)力電池回收包括四個(gè)方面，首先是收集，這非常重要，目前還沒(méi)有非常成熟的收集廢舊電池的辦法（格林美做了一個(gè)平臺(tái)，可以在平臺(tái)上評(píng)估價(jià)格，在最近的回收站點(diǎn)買(mǎi)回去），拿到電池以后，就要進(jìn)行預(yù)處理，根據(jù)未來(lái)回收的工藝可以放電或者直接放到高爐里面，再進(jìn)行回收，最后再進(jìn)行材料制備得到回收產(chǎn)品。個(gè)人認(rèn)為，目前深圳杰成新能源的破碎拆解做得比較好，動(dòng)力電池的報(bào)廢還沒(méi)有到高潮，但生產(chǎn)廠(chǎng)家企業(yè)非常多，作為回收就更多，格林美、邦普是濕法冶金回收的重要企業(yè)。

舉例來(lái)看，美國(guó)Asecond Elements也是用破碎-浸出-固液分離-去雜，再調(diào)配成三元材料所需的元素比進(jìn)行沉淀，燒結(jié)變成前驅(qū)體，再做成電極材料。德國(guó)BSH公司主要是聚焦在前期，因?yàn)樗蹦遣糠窒鄬?duì)比較成熟，通過(guò)低溫真空干燥來(lái)收集電解液，最后得到的產(chǎn)品還是黑粉，在這個(gè)過(guò)程會(huì)收集到鋁、銅等材料。德國(guó)GRS電池基金會(huì)的技術(shù)路線(xiàn)跟前面基本一致，只是這個(gè)電池基金會(huì)得到黑粉以后，熱解再水冶，最后制成正負(fù)極材料。韓國(guó)JAE YOUNG TECH公司基本也是這樣的路線(xiàn)，包括印度，加工過(guò)程的廢液循環(huán)起來(lái)了，可以得到各種產(chǎn)品。我國(guó)兩個(gè)典型的回收企業(yè)，一是格林美，回收動(dòng)力電池進(jìn)行綠色智能拆解以后，放電-破碎-分選，把電解液、銅、鋁和黑粉分開(kāi)，黑粉得到資源化工藝，浸出、萃取、反萃、提純，最后制成硫酸鹽，硫酸鹽再進(jìn)行配比制成新材料做電池；二是邦普，類(lèi)似的技術(shù)，沒(méi)有新的工藝。

整體來(lái)講，廢舊電池回收目前的整體工藝：安全放電-多級(jí)破碎-多級(jí)篩分-制成黑粉-脫粘結(jié)劑/電解液-得到干黑粉進(jìn)行酸浸-過(guò)濾-除雜-多級(jí)萃取-多級(jí)反萃-鹽類(lèi)-原料配比-前驅(qū)體。這里面最大的挑戰(zhàn)是放電效率低、二次污染嚴(yán)重；電池型號(hào)多、拆解設(shè)備自動(dòng)化程度非常低；破碎效率低、安全隱患大；黑粉純度低、不能直接再生；規(guī)模化再生、產(chǎn)品性能低。

因此，個(gè)人認(rèn)為目前要在這些領(lǐng)域聚焦進(jìn)行研發(fā)：安全、高效、可控的規(guī)模化放電技術(shù)；精細(xì)化智能拆解技術(shù)；安全高效破碎技術(shù)；低成本物料高效分選技術(shù)；低成本綠色高效的材料再生技術(shù)。

03  “可控閃碎”“材料修復(fù)”等技術(shù)助力綠色再生

通過(guò)電池放電，主動(dòng)引發(fā)熱失控，通過(guò)電池爆炸起火的能量釋放，在過(guò)程中實(shí)現(xiàn)一步法破碎。設(shè)想把電池放在一個(gè)非常安全的大反應(yīng)器里，誘發(fā)熱失控，電解液、隔膜作為反應(yīng)產(chǎn)物之一就會(huì)反應(yīng)，產(chǎn)生的能量就把電池沖開(kāi)，可以把氣體捕集起來(lái)進(jìn)行處理，得到的就是粉碎產(chǎn)品。      

以實(shí)驗(yàn)室設(shè)備來(lái)看，把電池裝進(jìn)去，分好以后進(jìn)行加熱，當(dāng)溫度達(dá)到166度左右時(shí)，壓力增加，這就誘發(fā)了熱失控，壓力急劇增加，電解液進(jìn)行反應(yīng)，繼續(xù)釋放熱量，溫度繼續(xù)增加，達(dá)到最大壓力以后，慢慢衰減下來(lái)，最后會(huì)達(dá)到一個(gè)平衡的溫度和壓力，溫度大概維持在288度左右。

操作后，電池就不是完整的電池了，過(guò)篩后就分離出銅/鋁箔、鋼殼、黑粉，這個(gè)黑粉跟傳統(tǒng)破碎的黑粉有明顯差別，傳統(tǒng)破碎的黑粉上面有粘結(jié)劑，所以分離效率非常低，通過(guò)熱失控誘發(fā)進(jìn)行閃碎得到的產(chǎn)物非常地干，這就非常好，把能量利用起來(lái)了，得到產(chǎn)品也非常好。

整個(gè)反應(yīng)裝置非常完整。盡管這個(gè)過(guò)程是熱失控，但還是比較溫和的。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)人員對(duì)氣體進(jìn)行了分析，里面還含有很多的氫氣，實(shí)際上在這個(gè)過(guò)程中可以制氫，當(dāng)然在空氣中有很多氮，但是還有很多殘余的碳?xì)浠衔铮饕羌淄?、乙烷、乙炔、乙烯等，我們認(rèn)為控制好反應(yīng)過(guò)程，可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成氫氣。閃碎過(guò)程不僅把電池碎了，而且還可能制出氫。實(shí)驗(yàn)室做完以后就做了可控閃碎中試設(shè)備，容積20升，可以放400節(jié)電池。

相較傳統(tǒng)工藝，可控閃碎技術(shù)得到黑粉可以進(jìn)行物理分離，經(jīng)過(guò)兩次分離就可以得到97%以上的正極材料粉，回收效率達(dá)到93%。這樣一個(gè)新工藝流程，通過(guò)廢舊電池的閃碎、篩分，用物理分離以后，得到正負(fù)極的材料，然后就可以開(kāi)始進(jìn)行修復(fù)。

實(shí)驗(yàn)室在材料直接再生方面也做了很多工作，如三元材料直接再生。三元正極材料拆下來(lái)以后報(bào)廢的主要有三個(gè)因素：一是很多鋰在廢舊材料里釋放不出來(lái)，所以容量降低了，二是經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)改變了，三是型號(hào)改變了，上面有裂縫了。那么實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行再生，根據(jù)這三個(gè)失效的機(jī)理設(shè)計(jì)了這樣一個(gè)過(guò)程，用水熱的方法處理黑粉，目的是將石鋰掏空以及結(jié)構(gòu)的破壞進(jìn)行部分修復(fù)，再加上碳酸鋰進(jìn)行材料修復(fù)，主要是修復(fù)結(jié)構(gòu)跟形貌，修復(fù)得非常好。通過(guò)高溫以后，下面也沒(méi)有裂縫。從這里可以看出，修復(fù)以后電化學(xué)性能大大地提高，跟商用三元電極材料相比，基本就在范圍之內(nèi)。通過(guò)材料的再生，直接把廢舊利用起來(lái)，不需要浸出、提純?cè)僦瞥甥}等。

最后，徐院士總結(jié)道：終極是要能夠研發(fā)出智能的拆解設(shè)備，在拆電池時(shí)，通過(guò)機(jī)器手（人工智能）可以直接拆解，正極粉和負(fù)極粉可以直接再生，比現(xiàn)在的工藝更加簡(jiǎn)單，這需要很長(zhǎng)的研發(fā)過(guò)程。動(dòng)力電池回收也是多學(xué)科多交叉的，需要各方的努力。

（以上內(nèi)容根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)速記稿編輯整理，未經(jīng)本人審閱）