新能源汽车动力电池的回收与再利用技术研究

摘要：针对电池结构与化学成分的不同开发回收再利用技术，通过物理分离、化学回收、热解和冶炼等方法对废旧电池进行处理，将其分解为可再利用的材料。以典型案例对回收过程中的各项指标进行测试与评估。结果表明，新能源汽车动力电池的回收与再利用具有巨大潜力和重要性。通过开发高效地回收技术，能够延长动力电池的使用寿命，降低新能源汽车的成本，推动绿色产业的快速发展。

关键词：新能源汽车；动力电池；回收再利用技术

中图分类号：U469.7 收稿日期：2023-09-08

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.11.016

1 前言

新能源汽车已成为解决传统燃油车排放和能源问题的重要方向。作为新能源汽车的核心部件，动力电池起着储存和释放能量的关键作用[1]。然而，随着新能源汽车市场的扩大，动力电池的回收与再利用问题也日益凸显。本研究旨在探索和研究新能源汽车动力电池的回收与再利用技术，以期为促进可持续能源交通发展、减少资源浪费和环境污染提供科学依据。通过对动力电池的物理特性、化学组成以及回收与再利用过程中的技术挑战和解决方案进行深入研究，为未来动力电池回收与再利用领域的研究提供有力支撑。

2 新能源汽车动力电池的常见类型

a.铅酸电池。铅酸电池是最早被使用于电动汽车的电池类型，其中铅及其氧化物作为电极材料，硫酸溶液作为电解液。尽管成本低是其最大优势，但铅酸电池的能量密度相对较低，体积和质量相对较大，一次充电行驶里程较短，使用寿命也较短。

b.镍氢电池。镍氢电池是20世纪90年代快速发展起来的一种绿色电池，该电池具有高能量、长寿命、无污染等特点。与铅酸电池相比，镍氢电池有了较大提升，且具备较好的安全性。然而，镍氢电池的充电效率一般，并且无法进行高压快充，因此在现阶段锂电池的流行下，镍氢电池在汽车领域面临被取代的趋势。

c.锂电池。该电池以锂化合物（如锰酸锂、磷酸铁锂等）为正极材料，石墨为负极材料。它具有重量轻、储能大、无污染、无记忆效应和长使用寿命等优点。在相同体积和重量条件下，锂电池的蓄电能力是镍氢电池的1.6倍，且远未开发利用其全部潜力。然而，锂电池在低温环境下性能表现较差。

d.氢燃料电池。氢燃料电池以氢气作为能源源泉，具有无污染、无噪声、高效率等特点。该电池具有高能量密度和低温表现优势，加氢速度快，只需5 min就能行驶超过公里。在所有电池类型中，氢燃料电池被认为是非常理想的清洁能源。然而，氢燃料电池技术仍然面临一些挑战和改进空间。

综上所述，新能源汽车动力电池的常见类型包括铅酸电池、镍氢电池、锂电池和氢燃料电池。每种电池类型都有其特点和优势，未来的发展方向将是提高能量密度、使用寿命和安全性，以推动新能源汽车技术的进一步创新和发展。

3 新能源汽车动力电池回收的必要性

3.1 资源价值：回收和再利用电池中的重要元素

电池中包含着许多宝贵的元素和材料，通过回收和再利用这些元素，可以实现资源的有效利用和环境的可持续发展[2]。对于新能源汽车动力电池而言，回收和再利用的工作变得尤为重要。回收和再利用锂能够减少对有限锂资源的依赖，并且可以降低成本。镍和钴是锂电Ap/i8lvH7mEYM0Gye52zCunt6+rScGBNwCQqfMz8bDg=池中的另两个重要元素，镍和钴的再利用可以缓解对这些稀缺资源的需求，并减少对环境的破坏。酸性电解液可以进行处理和中和，再循环使用或者进行资源化利用。对于氢燃料电池，通过回收和再利用其中的贵金属催化剂如铂、钯和钌等，不仅能够节约成本，还能够减少对限量资源的需求。

3.2 环保价值：减少废弃电池对环境的危害

废弃电池对环境造成的危害是不可忽视的，因此减少废弃电池对环境的危害具有重要的环保价值。首先，废弃电池中含有许多有害物质，如重金属、酸性物质和有机溶剂等。这些物质在环境中积累和释放会导致土壤、水源和空气污染，对生态系统和生物多样性造成威胁。通过有效管理和处理废弃电池，通过回收和再利用这些材料，可以实现资源的有效利用，减少对自然资源的开采和消耗。

3.3 经济价值：节约能源和减少对原材料的依赖

废弃电池的回收和再利用不仅有环保价值，还具有重要的经济价值，尤其是在节约能源和减少对原材料依赖方面。首先，回收和再利用废弃电池可以有效地节约能源，通过回收和再利用废弃电池中的金属和材料，可以节约这些原始能源的使用。其次，废弃电池的回收和再利用也可以减少对原材料的依赖。电池生产使用的原材料往往来自矿石开采，在这个过程中伴随着资源的浪费和环境的破坏。通过回收和再利用废弃电池中的金属和材料，可以减少对这些有限资源的需求，达到资源的循环利用和延长使用寿命的效果。

4 新能源汽车动力电池回收技术的研究与实践

4.1 回收技术的现状分析

目前，动力电池回收技术正面临着一系列挑战和发展困境[3]。首先，针对梯次利用方面的技术，目前仅有磷酸铁锂电池可以通过梯次利用的方式继续利用。主要原因是磷酸铁锂电池具有较低的能量密度和循环寿命，不适用于新能源汽车，但适合储能等其他领域使用。然而，随着时代的发展，三元材料的电池逐渐占据了新能源汽车市场的主流，并且其高能量密度使其在储能领域表现出色。因此，研发出能够有效利用退役三元材料电池的梯次利用技术将成为未来的重要研究方向。

其次，针对拆解回收方面的技术，提升回收效率和保证资源回收纯度是当前的关键问题。动力电池拆解需要经过严格的工艺和设备支持，以确保安全和高效地提取可再生资源。目前尚需要进一步完善拆解技术，提高处理效率，降低成本。

在回收技术的现状分析中，需要强调的是，动力电池回收技术仍处于发展阶段，其进一步提升还需要产业界、科研机构和政府的共同努力。通过持续的创新和合作，可以改善废弃电池的环境影响，实现资源的循环利用，为新能源汽车产业的高质量发展提供有力支持。

4.2 典型回收技术的案例研究

随着中国双碳目标的推进，新能源汽车消费持续增长，动力电池回收成为解决环保问题和补充上游资源的重要手段。在动力电池回收领域，梯次利用和拆解回收是两种主要的技术路径。以下将通过案例研究来探讨这两种技术的应用。

以某锂电池制造企业为例，该公司致力于梯次利用废旧动力电池，开发应用于储能电站、UPS（不间断电源）等领域的整包级梯次产品。据统计，仅2020年，申请用于市政路灯、工程机械及低速电动车等领域的梯次产品达到3万余组。

另一方面，格林美还通过再生利用废旧动力电池中的有价金属资源，用于生产三元前驱体与正极材料。据数据显示，每年可以再生利用超过5 000 t金属钴和10 000 t金属镍。通过充分回收废旧电池中的有价金属资源，不仅减少了对原始矿石的依赖，也为电池制造企业提供了可持续发展所需要的原材料。

需要指出的是，《新能源汽车动力蓄电池回收利用管理暂行办法》明确了在保证安全可控前提下，先进行梯次利用，再进行拆解回收的原则。梯次利用是对废旧动力蓄电池进行检测、分类、拆分，并根据电池的预期寿命和剩余容量，修复或重组为梯次利用电池产品，使其可以应用于其他领域。而没有再次利用价值的锂电池则进入拆解报废阶段，通过化学、物理等手段进行拆解回收，并回收其中的可利用资源。

4.3 回收技术的发展趋势和挑战

近年来，国内电池回收行业取得了显著的发展，主要由第三方回收企业和与车企合作开拓回收渠道的方式推动。根据行业规范，目前有47家符合条件的正规电池回收企业，其中包括5家上市公司。同时，越来越多的企业形成了产业链间的合作联盟，从动力电池企业、材料企业到再生利用企业，形成了一个相互支持、协同发展的生态系统。在国家“十四五”循环经济发展规划的政策宣导下，2021年全年新增了4 200家电池回收相关企业，同比增长72.7%。

根据预测，退役电池将驱动锂电回收市场的发展。由于新能源汽车动力电池平均寿命约为5～8年，中国自2018年开始进入大规模化动力电池退役阶段。全球动力电池回收行业规模预计在2025年达到122亿美元，在2023年达到181亿美元。同时，磷酸铁锂电池作为市场主流逐渐崛起，其回收市场空间巨大。根据预测，2025年国内磷酸铁锂电池需求量将达到211.2万t，年均复合增速达44%。此外，预计2020～2030年，三元电池累计回收空间在现价情况下将达到1 305亿元。

然而，电池回收行业仍面临着许多挑战。例如，回收能力有限，导致大量废旧电池流入其他渠道，环保隐患凸显；同时，上游资源供需错配的问题依然存在。因此，推动电池回收技术的发展需要进一步加强行业监管，提高回收效率，并加强与上中下游企业的协作，构建一个更加稳定和可持续的循环经济体系。

5 新能源汽车动力电池的再利用策略与技术

5.1 再利用的必要性及可能的应用领域

新能源汽车动力电池的回收和再利用具有重要的必要性和广泛的应用领域。

首先，回收和再利用废旧电池可以减少对自然资源的开采。新能源汽车电池中含有锂、镍、钴等稀缺资源，通过回收这些废旧电池，可以提取出其中的有价值物质，再次利用于制造新的动力电池，减少资源消耗和开采压力，实现资源的循环利用。

其次，废旧电池的回收和再利用可以降低对环境的污染。废旧电池中含有有害物质如重金属和有机物，若随意丢弃或填埋，会对土壤和水源造成严重污染。通过科学有效的回收和再利用技术，可以将废旧电池中的有害物质进行处理和分离，减少对环境的危害，保护生态系统的健康。

再次，回收和再利用废旧电池有助于建立循环经济体系。在回收过程中，通过适当的处理和加工，废旧电池可以转化为新能源汽车电池的原材料。回收后的电池可以经过合适的安全检测和测试，用于再次组装成次生储能产品，如储能系统、家庭能源存储设备等，以满足更多的能源需求。同时，废旧电池中还存在可回收的金属材料，可用于制造新的电池和其他工业产品。

综上所述，回收和再利用新能源汽车动力电池是一项具有重要意义的工作。通过减少对自然资源的开采、降低环境污染、建立循环经济体系，能够实现对资源的有效利用和对环境的保护，推动新能源汽车产业的可持续发展。同时，加强研发和应用再利用技术，促进电池回收产业的发展，将为推动绿色转型和构建可持续发展的社会做出积极贡献。

5.2 常见再利用技术的研究与实践

再利用新能源汽车动力电池的常见技术包括储能系统、光伏发电和电动车换电站。这些技术在新能源汽车动力电池的二次利用过程中，可以提供重要的解决方案，减少资源浪费，促进可持续发展。

a.储能系统。废旧动力电池可以通过储能系统进行二次利用，将电池储存起来，并在能量需求高峰时释放电能，以减小对电网的压力。储能系统的应用范围广泛，可应用于工业、农业、交通等领域，提供稳定的电力供应和储能解决方案。虽然国内储能系统应用领域目前相对较窄，但其未来发展潜力巨大。

b.光伏发电技术。光伏发电是将太阳能转化为电能的技术，已经广泛应用于民用电器、汽车、移动通信等领域。在新能源汽车电池的二次利用过程中，将废旧电池与光伏发电技术结合，将电池存储的能量转化为电能，为电网提供可再生能源。这种技术的应用将减少对传统能源的依赖，降低碳排放，促进清洁能源的普及。

c.电动车换电站。电动车换电站通过快速更换电池的方式，解决电动车续航能力不足的问题。在电动车换电站的建设过程中，废旧电池可以修复后重新利用，减少资源浪费。电动车换电站的发展潜力巨大，解决了电动车充电时间长、续航里程短的问题，推动了电动车行业的发展，并为可持续交通做出了贡献。

这些再利用技术的研究和实践对于实现资源循环利用、降低能源消耗和环境污染具有重要意义。通过二次利用废旧电池，可以降低对稀缺资源的需求，减少环境污染，并为节能减排做出贡献。未来，随着技术的不断创新和应用的推广，这些再利用技术将在新能源汽车产业中发挥更加重要的作用，助力可持续发展的实现。

5.3 再利用技术的发展趋势和挑战

新能源汽车动力电池的再利用技术在近年来取得了显著的进展，然而依然面临发展和挑战。以下将从技术进展、市场需求和环境压力等方面进行分析。

首先，再利用技术方面，锂电池回收技术得到了广泛关注和研发。通过物理、化学和冶金等方法，可以实现废旧动力电池的解体、循环利用和资源回收。为了提高新能源汽车的续航里程，降低电池成本和重量，未来动力电池将向高能量密度的材料发展。这主要包括高镍、高锰、高钴和高硅等高性能材料。通过研发新的正负极材料，提高其储能能力和循环寿命，可以大幅提升动力电池的能量密度。其次，为了实现快速充放电，需要解决电极材料的导电性、扩散性和稳定性限制，通过使用导电添加剂、纳米结构和固态电解质等技术手段，提高电极材料的充放电速率和循环稳定性。

然而，锂电池再利用技术仍面临一些挑战。首先，回收过程中涉及的技术和设备还需要进一步完善和提高效率，以实现更高的回收率和降低成本。其次，废旧电池的分类、收集和运输等环节也需要加强管理和规范，以确保安全和环保。此外，新能源汽车动力电池的再利用还需要解决循环材料的质量、性能和可靠性等问题，以保证再利用产品符合应用要求。

6 动力电池回收与再利用的经济和环保效益

从经济角度来看，动力电池的回收与再利用可以实现资源的节约和循环利用，减少对稀有金属等原材料的需求。回收利用废旧电池中的有价金属、稀有材料和高纯度材料，可以降低新电池生产成本，并提供稳定的供应。根据最新数据统计，截至去年底，我国新能源汽车的累计报废数量达到了51万辆，同时伴随着报废的动力电池量也达到了24.4 GW·h。在这些报废动力电池中，磷酸铁锂电池占据了总量的56.6%，而三元电池则占据了39.8%。这两种类型的电池是目前新能源汽车主要采用的动力电池。新能源汽车动力电池报废情况如图1所示。

如图1所示，根据预测，按照电池约8年的使用寿命计算，到2025年左右我国将迎来动力电池退役高峰。图1呈现了目前新能源汽车动力电池累计报废量以及其占比情况。这些数据反映了动力电池报废情况的大致分布情况，到2025年，随着更多电池达到寿命并退役，动力电池回收管理的重要性将进一步凸显。

其次，从环境保护的角度来看，动力电池的回收与再利用可以减少对自然资源的开采和消耗，降低环境破坏的程度。废弃电池如果不经过合理处理，可能会对大气、水和土壤造成污染。而回收再利用可以减少废弃电池对环境的影响，有效防止有害物质的释放和传播。

动力电池回收与再利用也符合国家政策和法规的要求。随着新能源汽车市场的发展和规模扩大，国家对动力电池回收利用的管理不断加强。政府出台了一系列支持和规范电池回收行业的政策措施，推动企业提升技术水平，建立健全的回收利用体系，并加强监管和评估。这为动力电池回收与再利用提供了良好的政策环境和市场前景。

7 结语

新能源汽车动力电池的回收与再利用具有巨大的潜力和重要性。通过开发高效的回收技术，能够显著延长动力电池的使用寿命，降低新能源汽车的成本，同时推动绿色产业的快速发展，这将有助于减少对稀缺资源的依赖，促进可持续发展，因此，加强对新能源汽车动力电池的回收与再利用技术的研究和推广，对于实现资源循环利用和建设可持续发展社会具有重要意义。

参考文献：

［1］穆东，杨健，李欣.闭环供应链企业合作对新能源汽车动力电池回收与再利用的影响[J].供应链管理，2021，2（1）：54-67.

［2］叶鑫，刘科妤，廖绍雄，等.新能源汽车动力电池回收模式与发展趋势研究[J].汽车测试报告，2022（18）：68-70.

［3］姚锦.新能源汽车退役动力电池回收利用存在问题与对策分析[J].大众商务，2022（17）：199-201.

作者简介：

吕龙，男，1988年生，助教，研究方向为新能源汽车技术教学。