动力电池回收概况及发展前景展望

彭 准，刘少葵，刘勇奇，巩勤学

(湖南邦普循环科技有限公司，湖南 长沙 410600)

新能源汽车行业发展迅猛，国家政策有力的提供了发展驱动力，新能源汽车与动力电池的产量逐年增加。锂电池的使用寿命一般为3～5年，报废动力电池正在爆发性增长。据预测2025年中国退役动力锂电池达到134.49 GWh，回收拆解价值达到177.96亿元[1]，具有广阔发展前景。

锂电池由正负极、电解液、集流体、隔膜以及外壳等组成，能量密度高、循环性能好、自放电率低。失效电池对环境危害性极大，大量有价金属和电解液迁移导致土壤酸碱化、水体恶化、空气污染[2]。废电池中含有大量金属极具的回收价值，例如NCM三元锂电池含有金属钴5%～20%、镍5%～12%、锰7%～10%、锂2%～5%[3]，远高于矿山开采的富矿中金属含量，同时我国锂、钴、镍资源储量较少，对国外资源依赖较为严重，变废为宝具有战略性意义。

1 工艺概况

1.1 预处理工艺

废旧电池回收预处理流程包括放电、外壳拆解、电池粉碎[4]。放电主要有物理放电和化学放电这两种，穆德颖等[5]采用30 g/L的NaCl溶液放电9 h，电池残余电压为0.5 V。湖南邦普循环有限公司[6]发明了一种用于锂电池的放电托盘，既兼顾了单体的放电速度和数量，实现了电池包批量高效放电，同时满足环保要求。电池包拆解流程包括高温热解、机械破碎、粒径分选、密度分选等[7]。马成等[8]采用一套智能工艺设备对报废动力电池包进行拆解、破碎、分离、热解、归集，有效的提高分选效率及正负极材料的回收率，其中Cu、Al回收率大于95%，正、负极粉的回收率大于98%。深圳清研装备科技有限公司在动力电池绿色回收方面取得重大突破，通过安全环保放电技术、电解液高效回收技术、正负极材料精准分离技术三大创新，推动绿色回收行业发展，具有显著经济效益、环境效益、社会效益。

1.2 浸出工艺

报废电池经预处理工序得到极片粉后，一般采用硫酸、盐酸、硝酸、草酸、氨等有机或无机溶剂进行浸出工序。Zhang Z等[9]在研究中使用硫酸浸出体系，镍、钴、锂浸出率接近100%。袁文辉等[10]采用盐酸体系，盐酸浓度2 mol/L、液固比25∶1(mL/g)、在45 ℃条件下搅拌反应6 h，实现99.80%的钴和99.27%的铜浸出。Yuliusman等[11]使用硝酸-双氧水体系，以3 mol/L硝酸在90 ℃的条件下反应，钴的浸出率为98.01%；氨浸因选择性浸出特性受到广泛关注。Zheng X H等[12]以氨水和硫酸铵为浸出剂、亚硫酸钠为还原剂，在最佳条件下镍钴锰浸出率高达98.6%，而锰浸出率仅1.36%。

1.3 萃取工艺

浸出工序的金属液组分复杂，溶剂萃取法是一个常见的分离方法，可以富集有价金属，提高综合回收率。常见的有机萃取剂包括P204、P507、PC-88A、Cyanex 272、D2EHPA等。郑茹娟等[13]先通过调pH除铁，然后使用铜萃取剂除铜，最后使用磷酸酯类萃取剂除锌、铝、钙等，镍、钴、锰和锂的回收率分别为94%，95%，91%和91%。Wang F等[14]实验结果表明，两种萃取剂有明显的协同作用。张英杰等[15]开发了一种基于共萃取和共沉淀的废旧电池处理新方法，以回收有价金属和再生正极材料。采用D2EHPA+煤油萃取体系，完成100%Mn、99%Co和85%Ni的共萃取、实现与Li分离。

1.4 合成工艺

浸出液经萃取等方式分离后，根据金属离子组分和含量，可合成制备不同型式的回收产物。张英杰等[15]通过沉淀法将Li以Li2CO3形式从萃余液中回收，Li2CO3纯度达到99.2%。曹玲等[16]采用磷酸体系-草酸共沉淀法-加锂煅烧所制备的再生正极材料首次放电容量为136.4 mA·h/g，在0.2C条件下循环充放电50次后容量保持率为97.2%。吴彤等[17]以废钴酸锂电池为原料，通过前处理-浸出-共沉淀法制备得到再生正极材料LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2，在0.2 C、2.8～4.3 V范围内进行测试首次比容量为210.8 mA·h/g，具有较为优异的比容。Meng等[18]直接用机械化学活化和固相烧结处理废旧锂离子电池制备正极材料，0.2 C时首次放电容量为165 mAh/g，同时具有不错的循环性能。

目前虽然对动力电池回收进行较为广泛的研究，但是仍存在能耗大、工序冗长、分离纯化损耗高、二次三废等问题，所以需要对工艺技术路线进一步改良。

2 市场概况

2.1 新能源汽车市场

连续7年，我国新能源汽车销量和保有量保持世界第一。据中国汽车工业协会统计，2021年1-7月，新能源汽车产、销量为150.4、147.8万辆，同比增长200%，截至上半年，新能源汽车保有量约603万辆。

2.2 动力电池市场

新能源汽车产销量持续走高，相比去年同期翻了两番，杨俊峰等[19]对电池装机规模初步预测见图1，而最新数据显示，2021年1-9月累计装机量达到92.03 GWh，装机量可能会超过预估值。产业信息网对退役动力电池预测见图2。

图1 2021-2025年中国动力锂电池装机规模走势[19]Fig.1 Trend of installed capacity of power lithium battery in China from 2021 to 2025

据杨俊峰[19]报告中分析，“十四五”期间，锂、钴、镍需求量分别为12.9万t、70.8万t和15.1万t，而我国这些金属资源储量不足，严重依赖进口。三元动力电池中镍、钴、锰、锂含量高，磷酸铁锂中锂也远高于锂矿石中含量，有效回收退役报废的动力锂电池，能在一定程度上弥补资源不足。目前，邦普循环、格林美、赣锋锂业等知名电池回收企业均采用湿法回收三元材料，对于磷酸铁锂电池回收的相关报道较少。清华大学研发的磷酸铁锂回收工艺[20]，其中磷酸铁、钛、锂回收率可达95%以上，这对磷酸铁锂规模化循环利用起到一定的推动作用。

图2 2021-2025年中国动力锂电池退役规模Fig.2 Domestic power lithium battery decommissioning scale in 2021-2025

表1 磷酸铁锂和三元动力电池金属组分含量Table 1 Metal component content of lithium iron phosphate and ternary power battery

2.3 “三元”VS磷酸铁锂

据中国汽车动力电池产业创新联盟发布的最新数据。今年1-9月动力电池产量134.7 GWh，比去年同期升高195%，其中三元62.8 GWh、磷酸铁锂71.6 GWh；动力电池销量 106.8 GWh，比去年同期升高176.9%，其中三元49.3 GWh、磷酸铁锂56.7 GWh，三元体量比及同比增速均被磷铁反超。国内三元动力锂电池装车量(51.2%)以微弱优势高于磷酸铁锂(48.7%)，年底磷酸铁锂装车量或将反超三元。但在2018-2020年这几年期间，三元电池产、销、装车量均领先磷酸铁锂。技术突破及政策变动是影响份额的主要诱因，未来二者或将呈现交替上升的态势。

2.4 新秀 “固态电池”和“钠离子电池”

从1974年Laing C等[21]开始对固态电解质研究至今取得了众多成果，固态电池具有高能力密度、循环性好等优点。SolidPower、QuantumScape、辉能科技、江苏晴陶、赣锋锂业等企业在固态电池研发上取得了不错的成果，江苏清陶在去年投产产线已成功应用于特种电源、高端数码领域；辉能科技研发的固态电池使用抗压固态陶瓷电解质，具有优异的高低温性能及安全特性，2019年辉能与蔚来等汽车厂商达成合作；SolidPower采用具有不燃特性的固态硫化物电解质，其能量密度320 Wh/kg，该公司已获得福特、宝马、沃尔沃等世界知名汽车厂商的投资；QuantumScape做为上市公司正筹建生产装车测试固态电池并积极推进商业化进程。国内各大汽车及电池厂商纷纷布局，虽然固态电池尚未应用于新能源汽车，也许这一天并不会远。钠离子电池是一项颠覆性创新技术，2020年，中科海纳开发的钠电池能量密度接近150 Wh/kg，循环寿命高达4500次，高低温特性、快冲特性、安全特性处于国际领先水平。今年7月29日宁德时代在线上发布会上介绍了第一代钠离子电池，其单体能量密度可达160 Wh/kg，15 min充电80%，并且能在零下20 ℃保持90%放电率，并宣布2023年将形成钠电池产业链。固态电池和钠离子电池发展迅猛，二者商业化指日可待。

社会发展科技进步、电池技术迭代突飞猛进，高镍化目前主要方向、下阶段无钴高锂高压更能适应市场对比能的需求、后期无锂正极是革命性的创新与颠覆性突破。动力电池回收需要紧跟市场发展潮流、对市场提前研判、对新技术提前布局，同时需要兼具高效性、环保性、经济性。

3 结 语

动力电池回收市场逐年递增，随着各大企业纷纷入局，想要在其中取得更大的市场分额，就需要强劲的技术力量支撑。目前，我国废旧动力电池回收处于起步期，回收技术仍一些不足。现阶段主要以物理预处理+化学湿法回收+溶剂萃取工艺回收有价金属，该工艺流程冗长、回收过程中不可避免的产生新“三废”，回收后金属组分中杂质分离不纯影响后端产品质量，仍需要不断的改良与创新。新能源动力电池技术更新迭代快，固态电池、钠离子电池呼之欲出。新能源是时代发展的方向、动力电池回收行业蓬勃发展，回收工艺技术定能不断突破、不断革新，构建更加完善的资源循环体系。