动力锂离子电池——新能源汽车最重要的部件之一,也承载着环保问题的巨大争议。
前期污染
车图腾在先前文章中写过,要测算新能源汽车是否比燃油车环保,要算一辆新能源汽车的全生命周期,即“材料生命周期”,包括汽车原材料的采集、运输、加工、制造和回收(比如动力锂离子电池原材料开采和生产回收)。(传送门)
有很多研究机构测算,在动力锂离子电池的生产过程中会造成巨大污染,因此很可能使新能源汽车的排放远大于传统燃油车。
以锂离子电池为例,按照其基本组成与加工流程,其污染重要有三大源头:
1.负极:材料通常为石墨、钛酸锂、硅基、锡基材料。其中石墨分为天然石墨和人造石墨。天然石墨来源于石墨矿,其开采过程中存在比较严重的污染;人造石墨,是用石油焦或是沥青等高分子物高温石墨化制成,基本无污染,但是一些锂离子电池中石墨浮选的回收方法,可能存在一定程度的污染。
2.正极:目前的正极材料有磷酸铁锂、锰酸锂、三元材料、钴酸锂、镍钴铝酸锂。磷酸铁锂和锰酸锂没有重金属,不如铅酸电池污染大,但也属于轻污染。
三元材料:镍钴锰酸锂,用途广泛,电动自行车、电子产品、航模等,其中钴元素有毒。
3.电解液:由有机溶剂和锂盐组成,有机溶剂中碳酸二甲酯存在轻微程度的污染。锂盐中包含六氟磷酸锂,遇水会水解生成氟化氢,有毒。
此外,在锂离子电池中的外壳材料、隔膜、黏结剂中均会出现白色污染,加工过程也会有一定程度上的环境污染,如存在一定毒性的NMP(N-甲基吡咯烷酮)。
回收困境
随着新能源汽车产业高歌猛进地发展,“材料生命周期”的另一部分——动力锂离子电池回收,就更加迫在眉睫。
遗憾的是,我国的电池回收产业尚不成熟。而且,成熟完善的回收体系需以公司利润为前提,若公司无法实现经济效益,回收工作又耗资巨大,那么无论是政策补贴还是公司自觉都很难可持续发展。
目前动力锂离子电池回收利用的两个重要方向是梯级利用和拆解回收。
梯级利用指从电动汽车上退役的动力锂离子电池,在电池状态良好的情况下,可用在发电站储能、电网储能等相关领域作为电能储存的载体,发挥剩余价值。类似于“玩具车用过后,收音机还能接着用”。
典型例子包括北汽新能源、长安等11家车企已经和我国铁塔达成合作,把退役动力锂离子电池用在通信基站的储能设备当中。当然,比亚迪也有深入布局。
不过梯次利用目前也面对一些技术问题,如离散整合技术和寿命检测技术。由于不同厂商生产的电芯一致性差异较大,缺乏统一标准,在拆解和重新组合时通常会遇到兼容问题。
整体来看,梯次利用的投入成本仍高于采购新电池的成本,虽然消化退役电池的优势明显,但在目前的条件下并不具备性价比。
拆解回收是将电池进行彻底分解并资源化回收利用。对动力锂离子电池进行放电和拆解后,提炼出的原材料(特别是对钴、镍、锰、锂)等贵重元素的回收,实现电池材料的循环利用,看起来相对“有利可图”。
但实际回收起来,这种方式的经济效益也没有想象中的高。有研究报告测算,目前1吨磷酸铁锂离子电池回收成本在8500元左右,而通过一系列工序提纯金属之后,所得市场价值仅9000元左右,基本没什么利润可言。
而三元锂电方面,因为有钴、镍、锰等金属,回收的效益会比磷酸铁锂更高,但因为钴有毒性,操作不当容易造成二次污染甚至引起爆炸,因此对回收公司的设备、人员也有更高的要求,这也变相新增了回收成本,降低了经济效益。而目前市面上的公司多为中小公司,难以形成规模效应,依然盈利困难。
下一个风口,全球加速布局
尽管在技术层面又难以突破的困难,但是行业对动力锂离子电池回收市场依旧保持乐观。
国际市场研究机构AlliedMarketResearch日前公布电动汽车电池回收市场研究报告称,到2025年全球电动汽车电池回收市场规模将达到22.7亿美元,期间年复合上升率达到41.8%。起点研究更为激进,预计我国2021年动力锂电回收市场将达到105亿元。
“未来动力锂离子电池的市场规模会非常巨大,我们更愿意自己回收并建立自身的回收能力和体系。”大众集团技术规划主管托马斯·蒂耶说。大众集团近日表示,计划在其德国萨尔茨吉特厂启动电池回收试点项目,自2020年起,该厂每年将回收约1200吨废旧车用锂离子电池。
显而易见,废旧电池的回收也有助于降低大众集团对原材料的依赖。
根据大众集团的预估,目前电池组的原材料回收利用率为53%,而上述试点项目可将其提升到72%。大众集团相信,未来10年内,该集团能将电池组原材料的回收利用率提升到97%。
事实上,汽车制造商、电池厂商等在电池回收方面负有义不容辞的责任。丰田、比亚迪、日产、戴姆勒、宝马、大众、雷诺、通用等主流车企已经对动力锂离子电池及材料回收开始摸索。
欧盟、我国、日本、美国等国家和地区已经从政策层面进行顶层设计与规划。以我国为例,2018年工信部联合七部委出台《新能源汽车动力蓄电池回收利用管理暂行办法》等一系列政策新规,今年二月二十二日工信部公布的《新能源汽车动力蓄电池回收利用调研报告》,预示着动力锂离子电池回收即将进入规范化管理阶段。
但是,多位专家指出,目前动力锂离子电池回收市场乱象丛生,小黑作坊活跃。一方面,政府应鼓励规范性公司进入,降低行业“门槛”;另一方面,由于当前动力锂离子电池回收模式尚不清晰,公司难以盈利,建议政府在规范管理的同时加强对公司的扶植。