賈曉峰馮乾隆陶志軍王白俠

（1.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司；2.長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院）

近年來(lái)，我國(guó)新能源汽車行業(yè)發(fā)展迅速，電動(dòng)汽車產(chǎn)銷量正快速增長(zhǎng)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年我國(guó)新能源汽車產(chǎn)量達(dá)51.7萬(wàn)輛，銷售量達(dá)50.7萬(wàn)輛，預(yù)計(jì)2017年全年新能源汽車銷售量將達(dá)70萬(wàn)輛[1]。伴隨著電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，車用動(dòng)力電池也迎來(lái)了前所未有的高速發(fā)展期，然而受電池使用壽命的限制，未來(lái)幾年將有大量動(dòng)力電池報(bào)廢。目前市場(chǎng)上銷售的電池平均使用壽命約為5年，因此在2012—2014年生產(chǎn)的動(dòng)力電池將會(huì)在2018年大范圍失效。據(jù)預(yù)測(cè)，到2018年我國(guó)動(dòng)力電池報(bào)廢量或?qū)⑦_(dá)到17.5萬(wàn)t，出現(xiàn)一個(gè)小高峰，到2020年，報(bào)廢量將達(dá)到20萬(wàn)t，累計(jì)報(bào)廢量50萬(wàn)t，2024年前后，動(dòng)力電池報(bào)廢量將達(dá)到34萬(wàn)t，累計(jì)報(bào)廢量將達(dá)到116萬(wàn)t[2]。因此，動(dòng)力電池的梯次利用和拆解回收市場(chǎng)將迎來(lái)爆發(fā)式增長(zhǎng)[3]。此外，電池回收成本是制約電池回收行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素，對(duì)動(dòng)力電池梯次利用場(chǎng)景及各拆解回收工藝價(jià)值體系進(jìn)行分析，成為產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)化運(yùn)作的關(guān)鍵[4]。

1　退役動(dòng)力電池梯次利用場(chǎng)景分析

2016年我國(guó)梯次利用電池量不到0.15萬(wàn)t，即大部分廢舊電池的電能未能得到充分利用。隨著電網(wǎng)儲(chǔ)能、低速電動(dòng)車、移動(dòng)電源等領(lǐng)域的快速發(fā)展，我國(guó)市場(chǎng)對(duì)退役電池的需求量巨大，據(jù)估算，若將2020年退役的動(dòng)力電池充分利用，回收市場(chǎng)的收入將達(dá)到80～100億元，因此我國(guó)動(dòng)力電池梯次利用市場(chǎng)具有較好的前景[5]。

1.1　退役動(dòng)力電池在通信基站領(lǐng)域的梯次利用經(jīng)濟(jì)性分析

隨著我國(guó)通訊技術(shù)的快速發(fā)展，通訊基站對(duì)電池的需求量也逐年上升，而通訊基站對(duì)電池壽命和安全性又有較高要求?？紤]到鉛酸電池成本低，目前我國(guó)通訊基站多采用鉛酸電池作為備用電源，而鋰離子電池在循環(huán)壽命、能量密度、高溫性能等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，因此將退役磷酸鐵鋰電池應(yīng)用在通信基站領(lǐng)域，將具有很大優(yōu)勢(shì)。

根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)，目前市場(chǎng)上回收的磷酸鐵鋰電池價(jià)格隨電池的性能差別很大，在4 000～10 000元/t不等。以剩余能量密度在60～90 W·h/kg且具有較高使用價(jià)值的磷酸鐵鋰電池為例，此類電池若要得到梯次利用，必須對(duì)回收的電池進(jìn)行拆包、檢測(cè)及重組處理，最終得到一致性較好的梯次電池，將電池回收費(fèi)用、預(yù)處理費(fèi)用、檢測(cè)重組費(fèi)用及人工費(fèi)用加起來(lái)為10 000～16 000元/t，此類梯次電池再循環(huán)壽命約為400次。若將循環(huán)壽命為500次，能量密度為40W·h/kg，市場(chǎng)價(jià)格為10 000元/t的鉛酸電池的性價(jià)比視為1，則具有400次循環(huán)壽命，能量密度為60 W·h/kg的梯次重組磷酸鐵鋰電池的性價(jià)比約為1.2，以此可得到如表1所示鉛酸電池和梯次利用磷酸鐵鋰電池對(duì)比數(shù)據(jù)。由對(duì)比數(shù)據(jù)可知，梯次利用電池隨著循環(huán)壽命的增加，性價(jià)比將得到快速增長(zhǎng)，當(dāng)梯次利用電池循環(huán)壽命大于400次時(shí)，開(kāi)始產(chǎn)生較大盈利。

表1　鉛酸電池與梯次利用磷酸鐵鋰電池在儲(chǔ)能方面對(duì)比數(shù)據(jù)

1.2　退役動(dòng)力電池在低速電動(dòng)車領(lǐng)域的梯次利用經(jīng)濟(jì)性分析

近年來(lái)，我國(guó)低速車領(lǐng)域也發(fā)展迅速，2016年低速車新增150萬(wàn)輛，保有量達(dá)到300萬(wàn)輛；三輪車新增900萬(wàn)輛，保有量達(dá)到6 000萬(wàn)輛。面對(duì)前景廣闊的低速車市場(chǎng)，若將電動(dòng)汽車上退役下來(lái)的動(dòng)力電池用于低速車領(lǐng)域，將獲得較快發(fā)展。

從2016年開(kāi)始將退役電池應(yīng)用于低速車領(lǐng)域，目前主要在快遞車上得到較大發(fā)展。截至2017年9月，某國(guó)內(nèi)企業(yè)共在余杭等地的210個(gè)快遞點(diǎn)投放了1 300臺(tái)低速快遞車。據(jù)統(tǒng)計(jì)，將退役電池應(yīng)用于低速車成本約650元/kW·h，收益在350元/kW·h左右，收益遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鉛酸電池在低速車上的應(yīng)用。圖1示出2016年和2017年在低速車領(lǐng)域梯次電池實(shí)際使用情況及2018年和2019年盈利情況預(yù)測(cè)。

圖1　梯次利用電池在低速電動(dòng)車領(lǐng)域的盈利

由上述數(shù)據(jù)分析，若將退役電池合理地梯次應(yīng)用于低速電動(dòng)車領(lǐng)域，也將產(chǎn)生巨大利潤(rùn)，有很好的經(jīng)濟(jì)性。

2　廢舊動(dòng)力電池的拆解回收技術(shù)分析

動(dòng)力電池的回收過(guò)程一般分為放電、拆解、粉碎、分選等預(yù)處理流程，然后分離出電池內(nèi)的金屬外殼、電極材料等，再將電極材料經(jīng)過(guò)特定的回收工藝處理，最終篩選得到有價(jià)值的金屬材料[6]。電極材料的回收工藝一般包括化學(xué)回收、物理回收和生物回收三大類，根據(jù)處理方法不同，化學(xué)回收工藝又分為濕法回收技術(shù)和火法回收技術(shù)，因生物回收技術(shù)需要在特定的環(huán)境下才能實(shí)現(xiàn)，目前仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，因此，文章主要對(duì)物理回收工藝、濕法回收工藝及火法回收工藝的工藝流程及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。

2.1　物理回收工藝

2.1.1物理回收工藝流程

物理方法回收技術(shù)是指將廢舊動(dòng)力電池內(nèi)部成分，如電極活性物質(zhì)、集流體和電池外殼等組分經(jīng)過(guò)破碎、過(guò)篩、磁選分離、精細(xì)粉碎和分類等一系列手段，得到有價(jià)值產(chǎn)物，然后再進(jìn)行下一步回收的過(guò)程。其物理回收工藝，如圖2所示。

圖2　物理方法回收工藝

2.1.2物理回收工藝經(jīng)濟(jì)性分析

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)某動(dòng)力電池物理回收企業(yè)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)動(dòng)力電池回收過(guò)程中，成本主要集中在原材料回收、電池拆解預(yù)處理、廢水廢棄物處理、人工費(fèi)用等階段，表2示出每噸廢舊電池處理過(guò)程中的主要成本去向。其中廢舊三元電池平均回收費(fèi)用為8 900元/t，經(jīng)過(guò)梯次利用之后且質(zhì)量較差的磷酸鐵鋰電池平均回收費(fèi)用為4 000 元/t。

表2　每噸廢舊電池回收處理成本　元

通過(guò)調(diào)研數(shù)據(jù)，可以看出回收及拆解每噸三元電池的平均成本為13 264元，回收及拆解每噸磷酸鐵鋰電池的平均成本為8 364元。

動(dòng)力電池內(nèi)富含的大量有價(jià)金屬是電池回收主要的收益來(lái)源，特別是近年來(lái)鎳、鈷、錳、鋰等金屬材料價(jià)格的上漲對(duì)動(dòng)力電池拆解回收領(lǐng)域起到了巨大的促進(jìn)作用。表3示出每噸三元材料廢舊動(dòng)力電池采用物理方法拆解的回收效率及得到各材料主要收益情況。

表3　三元材料電池拆解回收效率及收益

因此，每噸三元材料電池經(jīng)拆解后回收有價(jià)值金屬和材料的平均收益為16 728元。此外，經(jīng)過(guò)調(diào)研，對(duì)磷酸鐵鋰電池拆解收益情況也進(jìn)行了分析，廢舊磷酸鐵鋰電池各材料拆解回收效率及收益，如表4所示。

表4　磷酸鐵鋰電池拆解回收效率及收益

因此，拆解每噸磷酸鐵鋰電池回收有價(jià)金屬和材料的收益約為7 703元。

從前面分析數(shù)據(jù)可以看出，采用物理法回收每噸三元材料電池的拆解成本為13 264元，通過(guò)銷售拆解后得到的有價(jià)值材料獲得的收益為16 728元，因此，拆解回收每噸三元電池可盈利3 464元；而每噸磷酸鐵鋰電池拆解成本為8 364元，收益為7 703元，因此拆解回收每噸磷酸鐵鋰電池將虧損661元。

2.2　濕法回收工藝

2.2.1濕法回收工藝流程

我國(guó)大部分企業(yè)采用的拆解回收技術(shù)為濕法回收技術(shù)[7]，采用這種技術(shù)需要將廢舊電池拆解預(yù)處理后溶于酸堿溶液中，萃取出部分有價(jià)值金屬元素，再經(jīng)過(guò)離子交換法和電沉積等手段，提取出剩余有價(jià)值金屬。其工藝流程，如圖3所示。

圖3　濕法回收工藝流程

這種回收工藝由于工藝流程較長(zhǎng)，且處理過(guò)程中需要加入鹽酸等腐蝕性溶液，污染治理成本較高。

2.2.2濕法回收工藝經(jīng)濟(jì)性分析

通過(guò)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)濕法回收工藝的成本主要來(lái)源于原材料回收成本、廢水廢棄物處理等方面，表5示出每噸廢舊電池處理過(guò)程中的主要成本去向。

表5　每噸廢舊電池濕法回收工藝處理成本　元

因此，濕法回收工藝每處理1 t三元電池的平均成本為14 815元，每處理1 t磷酸鐵鋰電池的平均成本為9 915元。

此外，采用濕法回收工藝對(duì)電池有價(jià)值材料回收的效率較高，因此收益情況也更明顯。表6和表7示出采用濕法回收工藝每處理1 t三元電池和磷酸鐵鋰電池得到的各材料主要收益情況。

表6　三元材料電池濕法回收工藝回收效率及收益

表7　磷酸鐵鋰電池濕法回收工藝回收效率及收益

通過(guò)以上數(shù)據(jù)，可以得到采用濕法回收工藝回收每噸三元電池的平均收益為18 073元，回收每噸磷酸鐵鋰電池的平均收益為8 220元。因此，采用濕法回收工藝每回收1 t三元電池將盈利3 258元，每回收1 t磷酸鐵鋰電池將虧損1 695元。

2.3　火法回收工藝

2.3.1火法回收工藝流程

火法回收技術(shù)首先需要對(duì)電池進(jìn)行自動(dòng)放電處理，然后按電池種類進(jìn)行分類，通過(guò)振動(dòng)篩選和磁選分離金屬外殼和電極材料部分[8]，將電極材料部分放入干電弧爐內(nèi)高溫處理，電極碎片中的炭和有機(jī)物將被高溫燃燒掉，燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生還原氣體，對(duì)電極內(nèi)金屬元素具有保護(hù)作用，最終經(jīng)篩選得到含有金屬和金屬氧化物的細(xì)粉狀材料，其工藝流程，如圖4所示。

圖4　火法回收工藝

2.3.2火法回收工藝經(jīng)濟(jì)性分析

火法回收工藝因需要將預(yù)處理之后的電極材料在電弧爐內(nèi)進(jìn)行高溫處理，且處理過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的廢氣及廢渣[9]，因此，火法回收工藝的成本主要來(lái)源于原材料回收、燃料動(dòng)力及廢氣廢渣處理等方面。

表8示出每噸廢舊電池處理過(guò)程中的主要成本去向。

表8　每噸廢舊電池火法回收工藝處理成本　元

通過(guò)調(diào)研數(shù)據(jù)，可以看出火法回收工藝每處理1 t三元電池的平均成本為14 390元，每處理1 t磷酸鐵鋰電池的平均成本為9 490元。

此外，采用火法回收工藝每處理1 t三元電池和磷酸鐵鋰電池得到的各材料主要收益情況,如表9和表10所示。

表9　三元材料電池火法回收工藝回收效率及收益

表10　磷酸鐵鋰電池火法回收工藝回收效率及收益

通過(guò)以上數(shù)據(jù)，可以得到采用火法回收工藝回收每噸三元電池的平均收益為1 705元，回收每噸磷酸鐵鋰電池的平均收益為7 994元。因此，采用火法回收工藝每回收1 t三元電池將盈利3 015元，每回收1 t磷酸鐵鋰電池將虧損1 496元。

3　結(jié)論

我國(guó)動(dòng)力電池回收市場(chǎng)還處于發(fā)展階段，對(duì)廢舊動(dòng)力電池的回收程度及回收工藝尚未成熟。在退役動(dòng)力電池梯次利用領(lǐng)域，退役磷酸鐵鋰電池作為梯次利用電池的主要來(lái)源，當(dāng)電池循環(huán)壽命高于400次時(shí)，開(kāi)始產(chǎn)生盈利，隨著未來(lái)電池技術(shù)的成熟，動(dòng)力電池的退役循環(huán)壽命必將呈現(xiàn)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，因此，磷酸鐵鋰電池的梯次利用將有更廣闊的盈利前景。

在報(bào)廢動(dòng)力電池拆解回收方面，目前三元電池的物理回收工藝具有較高的收益，而磷酸鐵鋰電池的拆解回收仍處于虧損狀態(tài)。據(jù)預(yù)測(cè)，2020年市場(chǎng)上累計(jì)報(bào)廢動(dòng)力電池量將達(dá)50萬(wàn)t，按三元電池占35%，磷酸鐵鋰電池占65%來(lái)算，在回收效率及成本基本不變的情況下，通過(guò)拆解回收這2類動(dòng)力電池，也將產(chǎn)生4億元的純利潤(rùn)，隨著電池正極材料價(jià)格的上漲，由于濕法回收工藝具有較大的材料回收效率，因此濕法回收工藝在三元電池回收方面呈現(xiàn)出較大盈利潛力，而對(duì)于磷酸鐵鋰電池的回收，選擇物理回收工藝更為合適。

將磷酸鐵鋰電池退役后梯次利用和拆解回收結(jié)合起來(lái)看，不難發(fā)現(xiàn)，磷酸鐵鋰電池退役后的再循環(huán)利用也處于盈利狀態(tài)。隨著我國(guó)新能源汽車行業(yè)的快速發(fā)展，未來(lái)將有大量動(dòng)力電池退役和報(bào)廢，若將這些電池充分循環(huán)利用，動(dòng)力電池回收市場(chǎng)將具有更廣闊的經(jīng)濟(jì)前景。