废弃锂离子动力电瓶的拆解及梯次运用
朱国才何向明
复旦中学生物质能与新能源研究院深圳
摘要：本文小结了废弃锂离子国外外梯次运用的状况及市场，介绍了国外三元材料及乙酸铁锂拆解的发展状况，提出了进行全手动拆解废弃锂离子电板及加快废弃锂电池梯次运用及综合回收运用的建议。
关键词：废弃锂电池废锂电池回收利用可研废锂电池回收利用可研，梯次运用，拆解
序言
我国早已成为全球最大新能源车辆市场,2014年电动车辆销售量为7万辆,2015年30万辆,2016年达到50万辆。随着电动车辆关键部件电瓶使用寿命随之到期,动力电瓶报废量也越来越大。预计到2020年我国车用动力电瓶需求将达,报废量将达32Gwh,报废电瓶折算为品质将达到约50万吨;到2030年,车用动力电瓶报废量将达,报废动力电瓶量约116万吨。
现在废弃动力锂离子电瓶回收主要有两条形式,一是梯次运用:针对电瓶容量增长到原先70-80%未能在电动车辆上继续使用的电瓶,进行梯次运用,可继续在其他领域如电网储能,低速电动车,五金工具等作为电源继续使用一定时间;二是拆解回收:主要针对电瓶容量增长到50%以下,该类电瓶难以继续使用,只好将电瓶进行拆解并资源化回收运用。
现在动力电瓶的回收运用以大型的环保企业为主,并产生梯次运用的市场,以18650为例,回收到企业的为费用约0.1元/个,把电瓶包拆解,得到单体电瓶,经过检测后,可售出作为五金工具的电源,批发的售价可以达到1-1.5元/个,所以具备经济效益。但很多小公司工艺设备落后,回收运用过程很难达到环保要求。而专业回收公司如北京格林美、邦普循环科技、超威企业集团和芳源环保等具备先进技术设备及一定技术开发,但现在还自能对特有电瓶品种(如三元材料电瓶)进行回收借助。因为动力锂电池品种多,在拆解过程欠缺手动化拆解技术,进行环保回收运用还要提高企业费用,所以回收运用过程很难荣获经济效益,还要政府系统的支持和新政激励。
整体上看,因为电动车辆发展时间不长,动力电瓶废液在近五年才大量步入市场。我国动力电瓶的回收运用还处于初始阶段,针对不同类别的动力锂离子电瓶无论在拆解、梯次运用及资源综合运用方面缺少成熟的技术。因而在废弃动力锂电池回收运用方面应当进行技术开发及创新,能够保证我国电动车辆的健康及可持续的发展。
废弃锂电池的梯次运用
随着2016年末我国废弃锂离子电瓶的大批量的出现,实际上在国外很快产生了梯次运用市场,2017年初开始一些大型企业将动力电瓶包拆解得到电瓶单体进行批发,作为联通光源如手探照灯、五金工具及低速电动车的电源使用。2017年开始起码10家以上的大型企业进行该经营活动。初期确定的废弃动力电瓶梯次运用运用方向,作为储能系统实现废弃动力电瓶梯次运用,还没有得到实质性的推广。
国外梯次运用进展
我国废弃动力电瓶的梯次运用与美国相比有一定的差别,但近几年举行相关的研究和应用,并进行了安装工程示范。如美国电科院、国网广州市电网公司与上海交通学院合作完成的电瓶储能系统的梯次运用安装工程示范;上海市电网公司、北京工业学院及南京普莱德新能源电瓶科技有限公司合作完成的上海市科技计划项目“电动车辆锂离子电瓶系统全生命周期运用技术研究与示范”;同时西安海博思创科技有限公司、国网广东电网公司,国网广东电网公司等单位也陆续进行了动力电瓶的梯次方面的安装工程示范。
美国梯次运用进展
美国的梯次运用主要也以储能为主,本田轿车和住友企业集团合资的公司,将福特leaf气车的二手电瓶适于家庭和商业储能设备;东芝公司开发了智能功率调节器,以使车载动力电瓶可以适于家庭电源管理;同时日本EnerDel公司和美国伊藤忠商社合作,在改建公寓中推广梯次运用电瓶。台湾、通用公司及ABB企业集团,荷兰BOSCH、BMW等公司也举行了梯次运用的实践。
不仅相关企业此外,美国一些研究机构也对动力电瓶二次运用的展开了研究。2010年,英国国家可再生能源试验室举行了电动车辆用锂电池二次运用的考察项目;加洲中学戴维斯中学的混和电动车辆研究中心在2010年也举行了动力锂电池的二次运用和价值剖析等方面的研究。
梯次运用市场
我国自2011年以来,动力锂电池的市场规模也越来越大,2009年至2016年我国累计生产新能源车达到近100万辆,实际上2016年末我国新能源车辆动力电瓶累计报废量约为2万-4万吨,据计算2018年我国电瓶报废量将17.5万吨,废弃动力锂电池回收价值将50万元以上,2020年回收市场价值将达到100万元人民币。
同时联通光源,五金工具及低速电动车的电源方面对于退役锂离子电瓶有着很大的市场需求,恐怕在近几年废弃锂离子电瓶的梯次运用在某些领域有着很大的市场前景。
废弃锂电池的拆解
锂电池的使用具备一定的生命周期,使用一定时间还要报废,但是进行梯次运用,最终也要报废。锂电池由外壳,负极(铝基片),电极(石墨与铜基片),电解液,隔膜等组成。如不进行拆解及分选,未能回收废弃电瓶中的有价材料及成份,但是进行分离,也无经济意义。因而回收企业应切实举行废弃锂电池的拆解的技术开发。
对于大容量三元材料电瓶处于安全考虑,还没有进行规模化拆解回收实践,而对于电瓶单体容量小、质量轻和容积小的电瓶进行大规模回收处理(如常规的1865锂离子电瓶)。现在早已有成熟的拆解技术,主要选用破碎分选的方式进行拆解,其工艺步骤依次为放电、高温热解、机械破碎、粒径分选、密度分选等见图1。
图1三元材料电瓶拆解工艺步骤
关于破碎分选工艺,广东一些大型机加工厂开发了500kg-1吨/h的拆解系统(图2),废弃锂电池有价组分回收运用率达90%以上,正对形状的废弃锂电池提出了不同的拆解分选步骤。2017年4月报导中航锂电(新乡)有限公司推行了全手动化锂动力电瓶拆解回收示范线。该示范线可对锂动力电瓶中铜铝金属回产率高达98%,负极材料回产率超出90%。这项技术处于国际领先水平,并荣获2016年湖北省重大专项600亿元专项资金支持。
图2锂电池破碎拆解分选系统
动力电瓶安全性好,但尺寸不一、形状各异,可以进行规模化拆解。一些小规模的回收厂商主要先分拆电芯得到正、负极片,再破碎分选,回收铜、铝及电瓶材料,工艺步骤见图3。
随着电瓶的大规模使用及逐步退役,规模化及全手动化拆解动力电瓶仍存在4大困局:手动化拆壳技术、自动化拆片技术、材料再生运用技术和电瓶拆解过程中的环境安全控制。还要进行全手动拆解设备的技术开发。
图3乙酸铁锂电池拆解工艺步骤
结语
近几年我国新能源车辆得到了迅速发展,与此同时形成废弃电瓶也在迅速下降,对废弃锂电池进行回收再运用,不可是环境保护的要求,同时还有促使资源循环运用。国外外在动力电瓶的梯次运用方面早已进行了有益的工作,但在锂电拆解及循环再制造技术的研究方面还处于高级阶段,还要进行技术开发及技术创新。
