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

发布时间：

2024-07-23 00:00

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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、可靠闪碎和材首页头条要闻

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。