关于动力电池回收利用的急迫性及当前的成熟技术

2018-05-09      547 次浏览

  2018年我国新能源汽车生产将超过100万辆大关,2020年将超过200万辆,存量超过500万辆。2015年是中国推广应用新能源的元年,2018年动力电池大规模地退役潮即将开启,2019年将进入爆发期。

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  本文介绍三个方面的知识:一是动力电池对环境污染的严重性;二是动力电池回收利用的经济性;三是动力电池回收的主要技术,以及对动力电池回收利用的建议。

  一、动力电池对环境污染严重性

  锂离子动力电池大规模退役后,作为废料,对环境一定有不良影响,会带来一定的环境污染。尽管锂离子动力电池不包含汞、镉、铅等毒害性较大的重金属元素,且相对铅酸电池而言,环境友好性比较高,但是锂离子动力电池的金属离子、负极的碳粉尘、电解质中的强碱和重金属离子,都可能造成重环境污染,包括提升土壤的PH值。锂锂子电池中的金属和电解液,例如钴元素可能会引起人们肠道紊乱、耳聋、心肌缺血等症状。目前我国电池资源化回收的能力有限,大部分废旧电池没有得到有效的处置,目前主要的废旧电池处理方式是固化深埋、存放于废矿井等处理措施,如果规模过大,将会给自然环境和人类健康带来潜在威胁。

  一句话,如果锂离子动力电池大规模地退役,人们必须予以高度重视,必须认真对待,稳妥处理好。

  二、有色金属回收与原生金属提炼过程的能源消耗小得多

  有资料介绍,三元电池中锂的平均含量为1.9%、镍12.1%、钴2.3%;此外,铜、铝等占比也达到了13.3%和12.7%。钴具有很好延展性和铁磁性,耐高温、耐腐蚀、具磁性性能,被广泛用于航空航天、机械制造、电气电子、化学、陶瓷等工业领域。2015年全球产出钴矿12.38万吨,刚果(金)产出钴矿6.3万吨,占比超过50%,中国仅产出7700吨,占比6.2%。对中国而言,钴是稀缺资源。因此从废旧电池中回收再利用钴具有越来越好的经济性;锂是动力锂电池中的主要元素,锂资源在自然界中广泛分布,然而锂资源的提取工艺行业壁垒较高。

  由于新能源汽车驱动的需求日益扩大,越来越多的企业开始关注锂电池回收,并通过电池回收原材料,生产电池,其节能率在70%~90%之间。通过电池回收原材料,生产电池,在节能减排方面具有绝对优势,其宏观层面的经济性是不言而喻的。

  三、动力电池回收利用渠道分析

  动力电池从汽车上退役后,其充放电性能不能满足车辆的动力需求,但是电池内部的化学成分并没有发生改变,可以运用到比汽车电能要求更低的地方,利用在储能或者相关的供电基站以及路灯、低速电动车身上等,再淘汰后最后再进入回收体系。归纳起来,分为两个循环过程:

  ①梯次利用:

  电池容量降低,使得电池无法使电动车正常运行,仍可以在别的途径继续使用,例如用于电力储能。(注意:电池本身还没有报废)

  ②拆解回收:

  电池无法继续使用,原因是电池容量损耗严重,只有将电池进行资源化处理,回收有利用价值的再生资源。

  中国政府明确采用生产者责任延伸制度,见图(1)。但落实这一制度,还没有抓手。回收利用渠道还没有建立起来,这是当前急迫要解决的关键问题。

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  目前已有渠道:

  ①回收小作坊

  点多面广,回收成本低廉。但是这些小作坊,没有技术保障手段,容易产生安全隐

  ②专业回收公司

  技术设备先进、工艺规范,综合实力雄厚,是动力电池回收利用骨干企业。但是如何保障这些企业有“利”可图?市场还没有成长起来,政府政策如何落实等,还要深入研究。

  ③废旧物资再利用协会

  废旧物资再利用协会,成员单位比较多,联系比较广泛,回收网络比较完善。但目前这类组织,对动力电池回收业务还没有开展起来。如何合理布局动力电池回收市场?如何规范地管理?还有大量工作要做。

  四、废旧锂离子电池的资源化工艺分类

  按照不同的提取工艺分类,可将锂离子电池的回收技术分为3大类:

  (1)干法回收技术

  主要包括机械分选法和高温热解法(或称高温冶金法),见表(1)。干法回收工艺流程较短,回收的针对性不强,是实现金属分离回收的初步阶段。主要是指不通过溶液等媒介,直接实现材料或有价金属的回收方法,主要是通过物理分选法和高温热解法,对电池破碎并进行粗筛分类,或高温分解除去有机物以便于进一步的元素回收。

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  (2)湿法回收技术

  湿法回收技术工艺比较复杂,见表(2),但各有价金属的回收率较高,是目前主要处理废旧镍氢电池和锂离子电池的技术。湿法回收技术是以各种酸碱性溶液为转移媒介,将金属离子从电极材料转移到浸出液中,再通过离子交换、沉淀、吸附等手段,将金属离子以盐、氧化物等形式从溶液中提取出来。

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  (3)生物回收技术:

  目前,关于生物回收技术的研究刚刚起步,是未来锂离子电池回收技术发展的理想方向。生物回收技术具有成本低、污染小、可重复利用的特点。主要是利用微生物浸出,将体系的有用部分转化为可溶化合物并选择性地溶解出来,得到含有效金属的溶液,实现目标部分与杂质部分分离,最终回收锂等有价金属。

  整个回收工艺一般分为4个部分:(1)预处理部分;(2)电极材料修复;(3)有价金属浸出;(4)化学纯化。

  第一步:预处理过程,其目的是初步分离回收旧锂离子电池中的有价部分,高效选择性地收集电极材料等高附加值部分,以便于后续回收过程顺利进行。预处理过程一般结合了破碎、研磨、筛选和物理分离法。

  第二步:材料分离。预处理阶段富集得到了正极和负极的混合电极材料,为了从中分离回收Co、Li等有价金属,需要对混合电极材料进行选择性提取。材料分离的过程也可以按照干法回收、湿法回收和生物回收。

  第三步:化学纯化。其目的在于对浸出过程得到的溶液中的各种高附加值金属进行分离和提纯并回收。

  五、总结

  ①锂离子电池相比铅酸电池环保一些,但是同样对环境有污染。面对大规模的动力电池退役,利用的基本途径有:一是梯次利用;二是废旧锂离子电池的资源化处理。

  ②废旧锂离子电池的资源化处理技术成熟,不用过度担心。

  ③发展新能源汽车,一是中国政府应对汽(柴)油对外依赖度越来越高的不安全性,而采取的措施;二是锂离子电池比铅酸电池更环保;三是锂离子电池产生的环保问题,有成熟的技术可以处理的。

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