徐政和院士:电池回收势在必行,我国电池所需关键金属矿产资源对外依存度已超50%警戒线

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从“双碳”目标、资源安全、环境污染、产业发展等角度来看,电池回收势在必行。7月17日,中国工程院外籍院士,加拿大工程院院士,加拿大皇家科学院院士徐政和在“2024中国国际新型储能发展峰会(INES2024)”上,围绕动力电池电池回收的必要性、回收现状与挑战、可靠闪碎和材料修复技术发展前景等作了深度解读。

 

01“双碳”+能源结构+资源安全,电池回收势在必行

双碳是全球必须面对的,而中国是碳排放大国之一,2020年全球排放是370亿吨二氧化碳,中国释放了113亿吨,位居全球第一,2023年中国占比更多,34%左右。为了实现双碳,全球能源结构都在发生非常深刻的变化:到2050年时,电力和氢能在能源消费占比中将增加至50%以上。根据目前的发展趋势,全球发电结构也在发生深刻的变化,目前29%是可再生能源,到2050年时可再生能源的量将会占比86%(83千亿千瓦时)。可再生能源主要是太阳能和风能,对未来实现双碳起着非常关键的作用。

 

中国也在积极地发展可再生能源,我国是煤炭大国,所以我们很大一部分的能量是来自于煤炭,随着双碳目标的实现,必须要转型。从2023年来看,我国太阳能产能是5833亿千瓦时,风能达到了8000多亿千瓦时,未来太阳能占比会更大,所以发展太阳能和风能是我国实现双碳目标的重要途径,并不是唯一,但是非常重要。太阳能和风能是不稳定不可持续的能量,要把这个能量用好用起来,储能必不可少。

 

从能量的产生来看,太阳能、海洋能、风能等,到用户端要稳定地供能,要用可移动的电源包括低空经济,其实低空经济的核心之一是能源的提供,包括5G通讯、3C产品等都需要稳定的能量,所以储能在能量产生、制造、利用之间起着非常重要的桥梁作用,这体现了电池的重要性。

 

电池本身是有使用寿命的,商用车是3-5年,乘用车是5-8年,在我国大力发展新能源电车的趋势下,2025年会发生大量电池退役。2020年中国累计退役动力电池已经超过20万吨,市场规模是130亿,预计2025年会达到400亿,2030年是1500亿。从动力电池市场来看,全球电动车锂离子电池消耗量年增长率26%,磷酸铁锂和三元材料的应用,低空经济的发展等都使电池回收市场规模进一步扩大。

 

以特斯拉为例,一辆Model S型的特斯拉需要7104节18650电池,Model Y需要734节4680电池,把制造这些电池所需要的关键元素算一下,S型的电车里正极材料需要锂8.5kg,钴9kg、镍48kg、铝1.3kg,Y型的正极材料需要锂10.9kg、钴11kg、镍74.6kg、铝10.5kg,每一辆车需要这么多的关键元素,这些元素从哪里来?大部分是采矿,但每年锂、钴、镍的资源都会增长,尤其是镍,从2021年1.9万吨到2025年7.1万吨。我国关键元素的自产占比非常低,镍钴锰锂的金属矿产资源对外依存度已经超过50%的警戒线,达到了70%。

 

为了实现可持续发展,减少环境影响,电池中的所有关键元素就一定要循环利用起来,所以资源循环利用是可持续发展的核心。从资源发展的角度,为了保证资源安全,电池回收势在必行。2022年12月,美国Redwood Materials公司表示,将斥资35亿美元制造电池回收工厂,目标是要颠覆美国电动汽车的供应链,为了循环可持续发展。2023年回收了10GWh电池,其中有44000吨材料用来制备10万辆特斯拉的车,所以回收是一个非常重要的环节。从环境污染的角度来讲,电池易燃易爆、安全存放难,重金属含量高,这样会污染土壤、水体,电解液分解也会对大气产生污染,特别是含氟的电解液分解以后会产生氢氟酸造成污染。从环境的角度来讲,动力电池回收同样是势在必行。

 

从产业发展需求来讲,去年8月17日欧盟发布了《欧盟新电池法案》,其中一个要求是从2031年8月18日起,电动车电池、启动、照明和点火电池等容量超过2kWh时,制备这个电池必须用到回收的关键元素,其中钴16%、锂6%、镍6%、铅85%,要不然产品没法销售到欧洲,到2036年要求使用回收资源比例大大增加,如果产品要去国际市场上竞争,必须要回收,所以电池回收非常重要。

 

02  电池回收现状,多个环节面临技术挑战

从锂离子电池全生命周期价值链来看,电池性能会慢慢衰减,容量低于80%,但超过20%时,电池梯次利用,可延长电池生命周期。电池梯次利用的企业主要是集中在广东和江苏,最典型的就是格林美、安徽巡鹰、蜂巢。当电池容量低于20%,那就必须回收,可采用火法冶金、预处理后湿法冶金或直接再生等手段实现资源闭路循环利用。火法不需要预处理工序;湿法要预处理放电、分筛、热解,得到黑粉再进一步得到需要的关键元素;直接再生最理想。

 

动力电池回收包括四个方面,首先是收集,这非常重要,目前还没有非常成熟的收集废旧电池的办法(格林美做了一个平台,可以在平台上评估价格,在最近的回收站点买回去),拿到电池以后,就要进行预处理,根据未来回收的工艺可以放电或者直接放到高炉里面,再进行回收,最后再进行材料制备得到回收产品。个人认为,目前深圳杰成新能源的破碎拆解做得比较好,动力电池的报废还没有到高潮,但生产厂家企业非常多,作为回收就更多,格林美、邦普是湿法冶金回收的重要企业。

 

举例来看,美国Asecond Elements也是用破碎-浸出-固液分离-去杂,再调配成三元材料所需的元素比进行沉淀,烧结变成前驱体,再做成电极材料。德国BSH公司主要是聚焦在前期,因为水冶那部分相对比较成熟,通过低温真空干燥来收集电解液,最后得到的产品还是黑粉,在这个过程会收集到铝、铜等材料。德国GRS电池基金会的技术路线跟前面基本一致,只是这个电池基金会得到黑粉以后,热解再水冶,最后制成正负极材料。韩国JAE YOUNG TECH公司基本也是这样的路线,包括印度,加工过程的废液循环起来了,可以得到各种产品。我国两个典型的回收企业,一是格林美,回收动力电池进行绿色智能拆解以后,放电-破碎-分选,把电解液、铜、铝和黑粉分开,黑粉得到资源化工艺,浸出、萃取、反萃、提纯,最后制成硫酸盐,硫酸盐再进行配比制成新材料做电池;二是邦普,类似的技术,没有新的工艺。

 

整体来讲,废旧电池回收目前的整体工艺:安全放电-多级破碎-多级筛分-制成黑粉-脱粘结剂/电解液-得到干黑粉进行酸浸-过滤-除杂-多级萃取-多级反萃-盐类-原料配比-前驱体。这里面最大的挑战是放电效率低、二次污染严重;电池型号多、拆解设备自动化程度非常低;破碎效率低、安全隐患大;黑粉纯度低、不能直接再生;规模化再生、产品性能低。

 

因此,个人认为目前要在这些领域聚焦进行研发:安全、高效、可控的规模化放电技术;精细化智能拆解技术;安全高效破碎技术;低成本物料高效分选技术;低成本绿色高效的材料再生技术。

 

03  “可控闪碎”“材料修复”等技术助力绿色再生

通过电池放电,主动引发热失控,通过电池爆炸起火的能量释放,在过程中实现一步法破碎。设想把电池放在一个非常安全的大反应器里,诱发热失控,电解液、隔膜作为反应产物之一就会反应,产生的能量就把电池冲开,可以把气体捕集起来进行处理,得到的就是粉碎产品。      

 

以实验室设备来看,把电池装进去,分好以后进行加热,当温度达到166度左右时,压力增加,这就诱发了热失控,压力急剧增加,电解液进行反应,继续释放热量,温度继续增加,达到最大压力以后,慢慢衰减下来,最后会达到一个平衡的温度和压力,温度大概维持在288度左右。

 

操作后,电池就不是完整的电池了,过筛后就分离出铜/铝箔、钢壳、黑粉,这个黑粉跟传统破碎的黑粉有明显差别,传统破碎的黑粉上面有粘结剂,所以分离效率非常低,通过热失控诱发进行闪碎得到的产物非常地干,这就非常好,把能量利用起来了,得到产品也非常好。

 

整个反应装置非常完整。尽管这个过程是热失控,但还是比较温和的。同时,实验人员对气体进行了分析,里面还含有很多的氢气,实际上在这个过程中可以制氢,当然在空气中有很多氮,但是还有很多残余的碳氢化合物,主要是甲烷、乙烷、乙炔、乙烯等,我们认为控制好反应过程,可以进一步转化成氢气。闪碎过程不仅把电池碎了,而且还可能制出氢。实验室做完以后就做了可控闪碎中试设备,容积20升,可以放400节电池。

 

相较传统工艺,可控闪碎技术得到黑粉可以进行物理分离,经过两次分离就可以得到97%以上的正极材料粉,回收效率达到93%。这样一个新工艺流程,通过废旧电池的闪碎、筛分,用物理分离以后,得到正负极的材料,然后就可以开始进行修复。

 

实验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。三元正极材料拆下来以后报废的主要有三个因素:一是很多锂在废旧材料里释放不出来,所以容量降低了,二是经济结构改变了,三是型号改变了,上面有裂缝了。那么实验室进行再生,根据这三个失效的机理设计了这样一个过程,用水热的方法处理黑粉,目的是将石锂掏空以及结构的破坏进行部分修复,再加上碳酸锂进行材料修复,主要是修复结构跟形貌,修复得非常好。通过高温以后,下面也没有裂缝。从这里可以看出,修复以后电化学性能大大地提高,跟商用三元电极材料相比,基本就在范围之内。通过材料的再生,直接把废旧利用起来,不需要浸出、提纯再制成盐等。

最后,徐院士总结道:终极是要能够研发出智能的拆解设备,在拆电池时,通过机器手(人工智能)可以直接拆解,正极粉和负极粉可以直接再生,比现在的工艺更加简单,这需要很长的研发过程。动力电池回收也是多学科多交叉的,需要各方的努力。

2024年7月23日 14:17
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