陳根：電池工藝和電動汽車，能相互成全嗎？

陳根談科技 2023-01-14 發(fā)布于浙江

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文/陳根

近年來，隨著社會對環(huán)境污染問題的日益關(guān)注，用電動車取代燃油車成為默認(rèn)的趨勢。根據(jù)國際能源署的數(shù)據(jù)，2022年，無排放汽車和卡車可能占全球所有新車銷量的13%，而兩年前僅為4%。到2030年，這一數(shù)字有望增長到30%左右。各種驅(qū)動力一起推動了電動汽車從小眾選擇走向主流。

電動汽車變得越來越普遍，使得人類對鋰離子電池的需求也在飆升。對于氣候變化來說，更多地使用電動汽車是一個(gè)好消息。但制造電池所需的金屬供應(yīng)已經(jīng)捉襟見肘，到2050年，我們對鋰的需求可能會增加20倍。在這樣的情況下，電池的回收利用，就變得至關(guān)重要。

相互成全的電池和電車

今天，我們之所以能引來電動汽車的時(shí)代，其中一個(gè)重要因素，就是電池工藝的進(jìn)步。

顯然，電動汽車和電池技術(shù)都不是近些年才發(fā)明出來的技術(shù)。1800年，意大利物理學(xué)家亞歷山德羅·伏特發(fā)明了人類歷史上的第一個(gè)電池——伏特堆。這一用鋅片（陽極）和銅片（陰極）以及浸濕鹽水的紙片（電解液）制成的最初的電池，證明了電的人為制造可能性。

1881年，法國工程師古斯塔夫·特魯夫就制造出了世界上第一輛電動汽車，并用鉛酸蓄電池為該車提供動力。不過，這輛車僅有15km/h的速度和16km的續(xù)航里程，整體效率甚至都比不上馬車。由于當(dāng)時(shí)的電池工藝和電動汽車技術(shù)的有限，因此，當(dāng)時(shí)，電動汽車也沒有引起太多關(guān)注。

現(xiàn)在，得益于電池工藝的進(jìn)步，以及社會對環(huán)境污染的關(guān)注，我們正在迎來前所未有的電動汽車時(shí)代。事實(shí)上，交通工具電氣化已是一個(gè)相對確定的趨勢。

一方面，憑借著高能量密度、高安全性的優(yōu)勢，鋰離子電池已經(jīng)能夠支撐電動汽車的里程。現(xiàn)階段，鋰離子電池已經(jīng)成為電動汽車最重要的動力源，其發(fā)展經(jīng)歷了三代技術(shù)的發(fā)展，其中，鈷酸鋰正極為第一代，錳酸鋰和磷酸鐵鋰為第二代，三元技術(shù)則為第三代。

另一方面，在全球應(yīng)對氣候變化、倡導(dǎo)使用新能源的背景下，傳統(tǒng)汽車以燃油來作為動力源已逐漸不被大眾所接受。全球范圍內(nèi)，多國政府都制定了相關(guān)政策，力圖推動汽車制造商進(jìn)行業(yè)務(wù)換軌，同時(shí)也激勵消費(fèi)者做出改變。

中國、日本、韓國、美國等主要國家都在大力發(fā)展新能源汽車，全球電動汽車銷量整體呈增長趨勢。2010年，新能源汽車被國務(wù)院確定為七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，作為我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，政府高度重視新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展。先后出臺了全方位激勵政策，從研發(fā)環(huán)節(jié)的政府補(bǔ)助、生產(chǎn)環(huán)節(jié)的雙積分，到消費(fèi)環(huán)節(jié)的財(cái)政補(bǔ)貼、稅收減免、再到使用環(huán)節(jié)的不限牌不限購，運(yùn)營側(cè)的充電優(yōu)惠等，幾乎覆蓋了新能源汽車整個(gè)生命周期。

美國加利福尼亞州和紐約州出臺了規(guī)定，到2035年逐步淘汰所有僅使用化石燃料的汽車的銷售，其目標(biāo)在于到2037年將乘用車污染減少25%。歐盟在2022年6月通過的一項(xiàng)提案規(guī)定：從2035年開始在歐盟境內(nèi)停止銷售新的燃油車。

業(yè)界認(rèn)為，電動汽車將是全世界未來10年發(fā)展最快的產(chǎn)業(yè)之一。國際能源署發(fā)布的《清潔能源進(jìn)展跟蹤報(bào)告》指出，2021年全球電動汽車銷量翻了一番，占整個(gè)汽車市場的9%。該報(bào)告預(yù)測電動汽車銷量在2022年將再創(chuàng)歷史新高，占全球輕型汽車總銷量的比例將升至13%。

可以預(yù)見，電動汽車的使用將在全世界變得越來越普遍。

電池回收并不容易

然而，動力電池的核心材料鋰、鈷、鎳等都是稀缺資源，電動汽車的流行將不可避免地讓這些原料供應(yīng)捉襟見肘。相關(guān)數(shù)據(jù)預(yù)測，到2050年，全球?qū)︿嚨男枨髸黾?/span>20倍。與此同時(shí)，自2020年以來，原材料緊缺疊加新冠疫情的大流行導(dǎo)致產(chǎn)能出現(xiàn)下滑，“電池荒”已經(jīng)對電動汽車產(chǎn)業(yè)造成較大的困擾。

國際能源署指出，生產(chǎn)一輛傳統(tǒng)汽車平均需要消耗的金屬礦產(chǎn)約為33千克，而電動汽車則超過200千克，是傳統(tǒng)汽車的6倍。這也意味著，要支撐日益增長的電動汽車產(chǎn)量，需要有足夠多的金屬礦產(chǎn)量。而現(xiàn)實(shí)是，礦產(chǎn)資源有限的，伴隨著市場價(jià)格的水漲船高，也將給電動汽車生產(chǎn)商帶來巨大的經(jīng)營壓力。

考慮到動力電池的平均4-6年的有效壽命以及5-8年的使用年限，結(jié)合2014年開始的電動車快速普及，2021年底，我們就已經(jīng)迎來第一批退役高峰。十到十五年后，數(shù)百萬輛電動車更將壽命到期。

2020年2月，奧迪公司就公開承認(rèn)由于動力電池供應(yīng)不足導(dǎo)致e-tron短暫停產(chǎn)；2021年1月，特斯拉CEO馬斯克就預(yù)計(jì)，即使電池供應(yīng)商以最大速度生產(chǎn)，2022年及以后的電動汽車電池供應(yīng)仍會嚴(yán)重緊缺；2021年3月，蔚來汽車創(chuàng)始人李斌也表達(dá)了該年二季度電池供應(yīng)將遭遇最大瓶頸的困境。

在這一背景下，電池回收技術(shù)引起了電動汽車行業(yè)的關(guān)注。傳統(tǒng)汽車的鉛酸電池能被廣泛回收利用，但新能源電動車的鋰離子電池回收，卻不是件容易的事。

眾所周知，廢舊電池是一種污染性很強(qiáng)的垃圾。尤其是體積巨大的動力電池，其包含大量重金屬、電解質(zhì)、溶劑及各類有機(jī)物輔料，集多種毒性很強(qiáng)的污染物于一身，不恰當(dāng)?shù)奶幹脮?yán)重污染土壤與水源，亦會產(chǎn)生有毒氣體排放。因此，簡單的填埋或是焚燒，都不適合用來處理退役的動力電池。因此，為了實(shí)現(xiàn)鋰電池的再利用，“拆解回收”與“梯次利用”就成為必然選擇。

拆解回收，即再拆解回收其中有價(jià)值的金屬元素，包括兩種主流處理工藝：火法回收和濕法回收。其中，“火法回收”則更為常見——回收者首先將電池進(jìn)行機(jī)械粉碎，然后進(jìn)行燃燒從而留下一堆燒焦的塑料、金屬、膠水，最后使用包括進(jìn)一步燃燒的幾種方法來提取金屬。而“濕法回收”是將電池材料浸入酸池中從而產(chǎn)生金屬負(fù)載的湯。

當(dāng)然，不論是火法回收還是濕法回收，都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。比如，“火法回收”不需要回收者知道電池的設(shè)計(jì)或成分，甚至不需要知道電池是否已完全放完電就可以安全地進(jìn)行，但作為代價(jià)能源消耗很大。而濕法回收可以提取不易通過燃燒獲得的材料，但其中可能涉及對健康有危害的化學(xué)物質(zhì)。但無論是哪種方法，不可避免的是——都會產(chǎn)生大量廢料并排放溫室氣體。

從循環(huán)經(jīng)濟(jì)角度考慮，梯次利用比起火法或濕法冶煉要輕松得多。梯次利用是指動力電池在達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命時(shí)，通過修復(fù)、改裝或再制造等方法使其能夠在合適的工作位置繼續(xù)使用的過程。退役的動力電池經(jīng)過相關(guān)的檢測，確定其性能后，可依次用于低功率電動車、電網(wǎng)儲能、家庭儲能領(lǐng)域，等電池性能進(jìn)一步劣化后，低于最低利用標(biāo)準(zhǔn)再行回收。

但目前，鋰電池梯次利用的路線的整體發(fā)展卻較為遲緩。一方面，梯次利用需要對退役動力電池進(jìn)行充分的評價(jià)檢測，確定其性能。經(jīng)過檢測篩選后，才可根據(jù)不同的用途，對退役電池進(jìn)行重組，穩(wěn)定重組后的電池包電壓、電流，最后重新打包投入使用。但當(dāng)前，基于容量衰減機(jī)理分析建立的電池壽命預(yù)測模型首先就不夠完善，更不用說后面的步驟。

另一方面，從經(jīng)濟(jì)效益來看，梯次利用涉及的逆向物流系統(tǒng)頗為復(fù)雜，中間環(huán)節(jié)眾多，在梯次利用過程中，電池制造商、回收商、研究人員還需要解決很多問題，這使得梯次利用遠(yuǎn)比直接拆解回收要麻煩，不如直接回收來得省事。不僅如此，復(fù)雜的流程還嚴(yán)重堆高了梯次利用電池的成本，甚至出現(xiàn)重組電池和新電池價(jià)格倒掛的現(xiàn)象——舊電池比新電池還貴。

電池回收的龐大市場

電池回收雖然并不容易，卻依然催生了一個(gè)龐大的市場。

根據(jù)咨詢公司Circular Energy Storage的數(shù)據(jù)，2021年全球有超過60萬公噸的可回收鋰離子電池和相關(guān)制造廢料。預(yù)計(jì)到2030年，這一數(shù)字將超過160萬公噸。目前，多個(gè)科研實(shí)驗(yàn)室正在努力改進(jìn)電池回收技術(shù)，以期找到一個(gè)既標(biāo)準(zhǔn)化也很環(huán)保的回收技術(shù)。

電動汽車可觀的發(fā)展前景也吸引了越來越多的企業(yè)進(jìn)入電池回收行業(yè)，比如Redwood Materials和Li-Cycle，它們從公共和私人投資者那里獲得了數(shù)十億美元資金并開始擴(kuò)大經(jīng)營規(guī)模。其中，Redwood Materials使用的就是濕法冶金的工藝從廢舊電池中回收鈷、鋰和鎳等有價(jià)值的金屬。Li-Cycle則聲稱其專有的舊電池回收工藝可回收高達(dá) 95% 的有價(jià)值材料。

2021年，工業(yè)和信息化部、科技部、生態(tài)環(huán)境部、商務(wù)部、市場監(jiān)管總局聯(lián)合印發(fā)《新能源汽車動力蓄電池梯次利用管理辦法》。文件提出，鼓勵梯次利用企業(yè)與新能源汽車生產(chǎn)、動力蓄電池生產(chǎn)及報(bào)廢機(jī)動車回收拆解等企業(yè)協(xié)議合作，加強(qiáng)信息共享，利用已有回收渠道，高效回收廢舊動力蓄電池用于梯次利用。

相關(guān)政策也帶動大批企業(yè)進(jìn)入電池回收賽道。數(shù)據(jù)顯示，截至2022年8月底，我國現(xiàn)存動力電池回收企業(yè)數(shù)量已突破6萬家。包括寧德時(shí)代、蔚來汽車等新能源企業(yè)和汽車廠商，也在大力推進(jìn)舊電池回收。

在2015年，寧德時(shí)代就通過收購邦普循環(huán)發(fā)力動力電池回收領(lǐng)域；2022年5月，寶馬集團(tuán)宣布與華友循環(huán)攜手在新能源汽車領(lǐng)域，打造動力電池材料閉環(huán)回收與梯次利用的創(chuàng)新合作模式；8月，廣汽埃安與贛鋒鋰業(yè)建立合作關(guān)系，將在鋰資源開發(fā)、中游鋰鹽深加工及廢舊電池綜合回收利用各層面的深入合作。

可以預(yù)見，在未來數(shù)十年內(nèi)，動力電池需求將伴隨電動汽車的發(fā)展迎來指數(shù)級增長，單靠制造不足以滿足這一需求，這也是為什么2023年《麻省理工科技評論》將電池回收利用列為“全球十大突破性技術(shù)”之一的原因。雖然新的回收流程也并不完美，但電池回收工廠將為世界創(chuàng)造滿足氣候目標(biāo)所需的材料供應(yīng)。

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