鉅大LARGE | 點擊量：886次 | 2019年01月09日
盤點動力電池干濕法拆解、梯級利用
之所以要對動力電池進行回收，主要由兩部分驅動：一是環(huán)保性，二是經(jīng)濟性。
電池中含多種有害物質，隨意廢棄將對生態(tài)產(chǎn)生巨大影響。
大量的退役電池將對環(huán)境帶來潛在的威脅，尤其是動力電池中的重金屬、電解質、溶劑及各類有機物輔料，如果不經(jīng)合理處置而廢棄，將對土壤、水等造成巨大危害且修復過程時間長、成本高昂，因此回收需求迫切。
鋰電池里面通常含有的物質如下表格，根據(jù)2011版美國有害物質列表數(shù)據(jù)，Ni、Co、磷化物得分超過1000，被認為是高危物質。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、錳等金屬以及無機、有機化合物必將對大氣、水、土壤造成嚴重的污染，具有極大的危害性。
廢舊鋰離子電池中的物質如果進入生態(tài)，可造成重金屬鎳、鈷污染（包括砷），氟污染，有機物污染，粉塵和酸堿污染。廢舊鋰離子電池的電解質及其轉化產(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，可造成人身傷害，甚至死亡。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
電池材料回收的經(jīng)濟價值，主要則在于材料再生價值和能量價值再挖掘。
這包括了三個方面：1、鋰電池在高端用電器上退役以后，依然可以滿足部分低端用電器的需求，通常是電動玩具、儲能設施等，回收后的梯次利用能夠賦予鋰電池更多的價值，特別是退役動力鋰電池；2、即使電學性能無法滿足更深層次的使用，但其中所含有的Li、Co、Cu等相對稀有的金屬依然具有再生價值；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，導致金屬回收具有能耗上的經(jīng)濟價值。
不同類型鋰電池含有不同種類金屬及其比例，1噸傳統(tǒng)消費類的鈷酸鋰電池中對應約170公斤鈷金屬，而在銅、鋁、鋰方面，含量大都相似。因此，總體來看鈷酸鋰電池的回收價值將大于其余類別，如磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池。
電芯在動力電池成本中占比達到36％，若扣除毛利則電芯占比高達49％；在消費類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，資源化回收過程包括預處理和后續(xù)處理兩個階段。
預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。
電芯由負極、正極、隔膜和電解液組成。負極附著在銅箔表面，正極附著在鋁箔表面，隔膜為有機聚合物；電解液附著在正、負極的表面，為LiPF6的有機碳酸酯溶液。
后續(xù)處理環(huán)節(jié)是對拆解后的各類廢料中的高價值組分進行回收，開展電池材料再造或修復，技術方法可分為三大類：干法回收技術、濕法回收技術和生物回收技術。
干法回收技術是指不通過溶液等媒介，直接實現(xiàn)各類電池材料或有價金屬的回收技術方法，主要包括機械分選法和高溫分熱解法。
干法熱修復技術可對干法回收得到的粗產(chǎn)品進行高溫熱修復，但產(chǎn)出的正、負極材料含有一定雜質，性能無法滿足新能源汽車動力電池的要求，多用于儲能或小動力電池等場景，適合磷酸鐵鋰電池。
火法冶金，又稱焚燒法或干法冶金，是通過高溫焚燒去除電極材料中的有機粘結劑，同時使其中的金屬及其化合物發(fā)生氧化還原反應，以冷凝的形式回收低沸點的金屬及其化合物，對爐渣中的金屬采用篩分、熱解、磁選或化學方法等進行回收。火法冶金對原料的組分要求不高，適合大規(guī)模處理較復雜的電池，但燃燒必定會產(chǎn)生部分廢氣污染環(huán)境，且高溫處理對設備的要求也較高，同時還需要增加凈化回收設備等，處理成本較高。
濕法回收技術是以各種酸堿性溶液為轉移媒介，將金屬離子從電極材料中轉移到浸出液中，再通過離子交換、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，主要包括濕法冶金、化學萃取以及離子交換等三種方法。
濕法回收技術工藝相對比較復雜，但該技術對鋰、鈷、鎳等有價金屬的回收率較高；得到的金屬鹽、氧化物等產(chǎn)品，高純度能夠達到生產(chǎn)動力電池材料的品質要求，適合三元電池，也是國內(nèi)外技術領先回收企業(yè)所采用的主要回收方法。
生物回收技術主要是利用微生物浸出，將體系的有用組分轉化為可溶化合物并選擇性地溶解出來，實現(xiàn)目標組分與雜質組分分離，最終回收鋰、鈷、鎳等有價金屬。目前生物回收技術尚未成熟，如高效菌種的培養(yǎng)、培養(yǎng)周期過長、浸出條件的控制等關鍵問題仍有待解決。
當前回收效率更高也相對成熟的濕法回收工藝正日漸成為專業(yè)化處理階段的主流技術路線；格林美、邦普集團等國內(nèi)領先企業(yè)，以及AEA、IME等國際龍頭企業(yè)，大多采用了濕法技術路線作為鋰、鈷、鎳等有價金屬資源回收的主要技術。
濕法技術進行有價金屬回收后再造得到的正極材料，其比容量這一關鍵性能指標均優(yōu)于干法技術修復后得到的正極材料。
對于三元電池來說，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險，不適宜用于儲能電站、通信基站后備電源等應用環(huán)境復雜的梯次利用領域。
但三元動力電池由于含有鎳鈷錳等稀有金屬，通過拆解提取其中的鋰、鈷、鎳、錳、銅、鋁、石墨、隔膜等材料，理論上能實現(xiàn)每噸大約4．29萬元的經(jīng)濟收益，具備經(jīng)濟可行性。
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，目前市場上鎳、鈷、錳的平均回收率可以達到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價格分別為90萬元／噸、48萬元／噸、10萬元／噸和1．7萬元／噸。
動力電池回收生產(chǎn)出來的硫酸鎳、硫酸鈷、硫酸錳等金屬鹽，可繼續(xù)加工處理生產(chǎn)出三元前驅體，具有明顯的增值空間。
以硫酸鎳的生產(chǎn)為例，通過廢舊動力電池回收處理每噸鎳的成本在4萬元以下，而直接通過鎳礦生產(chǎn)的成本在6萬元以上。通過資源化回收獲得金屬原料的成本低于直接從礦產(chǎn)開發(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)再銷售給下游企業(yè)，銷售價格應該低于純金屬形態(tài)的市場價格，因此假設按市價70％的比率折價銷售，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規(guī)模預期可達54．1億元。
成本費用方面，三元電池回收成本主要由生產(chǎn)成本、各類費用和稅費構成。
其中，生產(chǎn)（成本粗略估算）的構成主要有：
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；
設備成本（設備維護費、折舊費）500元／噸；
人工成本（操作、技術、運輸人員等工資）400元／噸。
分攤的管理人員工資等管理費用和銷售人員、包裝等銷售費用約400元／噸；增值稅、所得稅4000元／噸。則三元電池的拆解成本合計為26500元／噸，按上述收益34000元／噸計算，拆解利潤為7500元／噸，從上表也可以看出2023年對應凈利潤空間料將超10億元。
通過原料回收，鎳鈷錳等金屬元素可實現(xiàn)95％以上的回收率，經(jīng)濟效益顯著。經(jīng)由資源化回收，可以生產(chǎn)出鎳、鈷、錳及鋰鹽，甚至進一步產(chǎn)出三元正極材料及前驅體，直接用于鋰電池電芯制造，具有構建產(chǎn)業(yè)鏈閉環(huán)的重大意義。
磷酸鐵鋰電池：梯次利用百億市場潛力巨大
而對于磷酸鐵鋰電池來說，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拆解而是通過梯次利用。梯次利用可充分發(fā)揮其剩余價值，實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟最大化，降低儲能系統(tǒng)的建設成本。
梯次利用的循環(huán)體系
梯次利用指退役動力電池經(jīng)過測試、篩選、重組等環(huán)節(jié)，再次用于低速電動車、備用電源、電力儲能等運行工況相對良好、對電池性能要求較低的領域。
目前梯次利用的主要領域仍在儲能和調(diào)峰。
而梯次利用流程首先是對退役動力電池的篩選，2014年后投運的動力電池保守預計能夠梯級利用比例可達60％－70％。
然后是組串式應用，將每輛電動車上拆下來的一套動力電池組作為單獨的單元，配以中小功率的儲能逆變器，形成一個基本的儲能單元，再將多個儲能基本單元集成在一起形成中大型儲能功率系統(tǒng)。
第三是充放電管理，目前的“削峰填谷”項目，以中國鐵塔為例，其鐵塔備電、削峰填谷站等儲備電量需求約8800kWh（目前主要使用壽命短、能量密度低、價格低的鉛酸電池），而隨著環(huán)保、效率等要求之下，對鉛酸電池的替代料將為動力電池梯次利用打開巨大的需求缺口。
目前以PACK（電池包，即多級串并聯(lián)電池構成模組）＋BMS（電池管理系統(tǒng)）為主的梯次利用技術是較為主流的選擇。
PACK工序分為加工、組裝、包裝三大部分，其核心是將多個單一的電芯通過機械結構串聯(lián)和并聯(lián)起來形成電池包。
具體操作過程中由于需要考慮整個電池包的機械強度、系統(tǒng)匹配等問題，需要涉及熱管理、電流控制與檢測、模組拼裝設計以及計算機虛擬開發(fā)等大量的成熟技術相互交叉協(xié)作，是梯次利用過程中的高門檻環(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各個電池單元，防止電池出現(xiàn)過充電和過放電，并實時監(jiān)控電池狀態(tài)，從而起到保護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、電池和整個電池系統(tǒng)的紐帶作用，對于電池廠商而言，BMS體現(xiàn)了廠商的核心技術競爭力，而對于動力電池梯次利用而言，BMS則決定了再利用電池的適用范圍、壽命和整體價值。
狹義的梯次利用僅指電池的重組再利用，而當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的全周期、多層次的利用。
當車輛進入報廢期后（一般車的使用壽命比電池長），將經(jīng)歷：
（1）高性能電池篩選：車企、汽車拆解廠和部分回收企業(yè)會將報廢電池中一致性較高、性能相對較好的電池通過檢測等方式篩選出來，配組或委托其他企業(yè)配組為電池組，進而出售給下游以中國鐵塔為代表的梯次利用企業(yè)。
（2）拆解：對于狀態(tài)較差、沒有直接利用價值的電池，多數(shù)會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行拆解再利用，將其中的銅、鋁、隔膜等原材料提取并直接銷售，磷酸鐵鋰電池的正極材料粉、負極材料粉將進入修復階段。
（3）修復：修復的目的是為了將磷酸鐵鋰的材料粉進一步提純，以獲得更高的售價。同時，梯次利用后退役的電池將同樣接收拆解／修復等流程，實現(xiàn)多維度的層層利用。
整個循環(huán)流程中，一般的回收企業(yè)有三個盈利點，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）出售修復過的正／負極材料。
但目前梯次利用由于技術和商業(yè)化兩方面問題。從技術角度來看，由于動力電池一致性較差、壽命不一，BMS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)將會和電池實際狀況發(fā)生背離，從而使進行梯次利用過程中面臨安全、產(chǎn)品品質等方面的挑戰(zhàn)。
從商業(yè)化角度來看，一方面目前梯次利用的產(chǎn)物標準化程度相對較低，另一方面因為電池型號不一，配組時需要的電池量基數(shù)將很大，則篩選、配組和加工成本仍相對較高，只有少數(shù)技術成熟的企業(yè)才能獲取經(jīng)濟效益。
盡管如此，目前已經(jīng)有多家行業(yè)龍頭與中國鐵塔等下游利用企業(yè)達成了研究和應用的戰(zhàn)略合作協(xié)議，隨著動力電池各類標準的不斷出臺和實施，電池的一致性將大幅提高，而緊密的合作關系將使梯次利用的應用問題在未來迎刃而解。從經(jīng)濟性方面考量，通過測算磷酸鐵鋰電池的梯次利用空間。
假設使用PACK＋BMS技術進行梯次利用，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約為0．45元／Wh，梯次利用的收益為0．6元／Wh。假設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50億元。
不管是梯級利用，還是拆解，我們都可以看到了一個新的藍海，在未來幾年會逐步打開，抓住這個機遇的人，一定可以會有不少斬獲。
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