动力电池回收的目的、技术路线及有害物质解析

动力电池回收的目的、技术路线及有害物质解析

上一篇文章我们提到了动力电池回收利用的巨大空间，这篇文章主要讲一下电池回收利用的目的和技术路线。

回收动力电池的原因主要出于两个因素：一是环境保护，二是经济效益。

电池中含有多种有害物质，若随意丢弃将会对生态造成巨大影响。

大量退役电池会对环境造成潜在威胁，特别是动力电池中的重金属、电解液、溶剂及各类有机辅料，若不妥善处理而随意丢弃，将对土壤、水体等造成极大危害，且修复过程费时费力，成本高昂，因此迫切需要进行回收利用。

锂电池中通常含有的物质如下表所示，根据2011版美国有害物质清单，镍、钴、磷化物得分超过1000，属于高风险物质。废旧锂离子电池若采用普通垃圾处理方式（包括填埋、焚烧、堆肥等），其中的钴、镍、锂、锰等金属及无机、有机化合物必然会对大气、水体、土壤造成严重污染，危害极大。

废旧锂离子电池中的物质若进入生态系统，会造成镍、钴等重金属（包括砷）、氟、有机物、粉尘、酸碱污染；其中的电解液及其转化产物LiPF6、HF、P2O5等、溶剂及其分解水解产物DME、甲醇、甲酸等，都是有毒有害物质，可能造成人身伤害，甚至死亡。

电池材料回收的经济价值主要在于材料再生价值和能量价值的进一步挖掘。

这包括三个方面：1、锂电池从高端电器退役后，仍然可以满足一些低端电器的需求，通常是电动玩具、储能设施等，回收后的梯次利用可以赋予锂电池更多价值，特别是退役动力锂电池；2、即便电性能不能满足更深层次的用途，但其中所含的Li、Co、Cu等相对稀有的金属仍然具有回收价值；3、由于一些金属还原消耗的能量与金属再生能量相差巨大，例如Al、Ni、Fe等，因此金属回收在能耗方面具有经济价值。

不同种类的锂电池所含金属种类及比例不同，传统消费级钴酸锂电池1吨对应钴金属约170公斤，而铜、铝、锂含量大多相近，因此总体上钴酸锂电池的回收价值会大于磷酸铁锂电池、三元锂电池等其他品类。

电芯在动力电池成本中占比36%，如果扣除毛利，电芯占比高达49%；在消费电池中，电芯成本占比更高。在电芯中，富含镍、钴、锰等金属元素的正极材料成本占比高达45%。

目前，资源回收过程包括预处理和后处理两个阶段。

预处理是将废旧锂电池放在盐水中放电，去掉电池的外包装，拆除金属钢壳，得到里面的电池芯。

电池单元由负极、正极、隔膜和电解液组成。负极贴在铜箔表面，正极贴在铝箔表面，隔膜为有机聚合物；电解液贴在正、负极表面，为LiPF6的有机碳酸盐溶液。

后续处理步骤是对拆解后的各类废弃物中的高价值成分进行回收，进行电池材料再生利用或修复，其技术方法可分为干法回收技术、湿法回收技术和生物回收技术三类。

干法回收技术是指不借助溶液或其他介质，直接回收各类电池材料或有价金属的技术方法，主要包括机械分选、高温热分解等技术。

干法热修复技术可以对干法回收得到的粗品进行高温热修复，但生产出来的正负极材料含有一定的杂质，性能不能满足新能源汽车动力电池的要求，多应用于储能或小型动力电池等场景，适用于磷酸铁锂电池。

火法冶金又称焚烧或干法冶金，是通过高温焚烧去除电极材料中的有机粘结剂，同时使其中的金属及其化合物发生氧化还原反应，以凝结物形式回收低沸点金属及其化合物，通过筛选、热解、磁选或化学方法回收炉渣中的金属。火法冶金对原料成分要求不高，适合较复杂的电池大规模处理，但燃烧必然会产生一些污染环境的废气，高温处理对设备的要求也很高，还需要额外的净化回收设备，处理成本较高。

湿法回收技术是利用各种酸、碱性溶液作为转移介质，将金属离子从电极材料中转移到渗滤液中，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，主要包括湿法冶金、化学提取和离子交换三种方法。

湿法回收技术工艺流程相对复杂，但该技术对锂、钴、镍等有价金属的回收率较高，生成的金属盐、氧化物等产品纯度高，能够满足生产动力电池材料的质量要求，适用于三元电池，也是国内外技术先进的回收公司采用的主要回收方式。

生物回收技术主要利用微生物浸出将体系中的有用组分转化成可溶性化合物并选择性溶解，从而将目标组分与杂质组分分离，最终回收锂、钴、镍等有价金属。目前生物回收技术尚不成熟，高效菌株的培养、较长的培养周期、浸出条件的控制等关键问题仍需解决。

目前，效率较高且相对成熟的湿法回收工艺逐渐成为专业化处理阶段的主流技术路线；国内领先企业如格林美、邦普集团，国际领先企业如AEA、IME，多以湿法技术路线作为锂、钴、镍等贵金属资源回收的主要技术。

采用湿法工艺修复后得到有价金属回收再生后的正极材料，其关键性能指标即比容量优于采用干法工艺修复得到的正极材料。

对于三元电池而言，相对于磷酸铁锂而言，其电池寿命较短，80%三元材料电池循环寿命仅为800-2000次，且存在一定的安全风险，并不适合在储能电站、通信基站备用电源等复杂的应用环境中使用。

但由于三元动力电池中含有镍、钴、锰等稀有金属，通过拆解提取锂、钴、镍、锰、铜、铝、石墨、隔膜等材料，理论上每吨可以实现经济效益约4.29万元，经济上可行。

以三元523电池为例，每吨三元电池中镍、钴、锰、锂含量大约为96、48、32、19千克。目前市场镍、钴、锰平均回收率可达95%以上，锂回收率约70%。金属锂、钴、电解镍、电解锰市场价格分别为90万元/吨、48万元/吨、10万元/吨、1.7万元/吨。

从动力电池中回收的硫酸镍、硫酸钴、硫酸锰等金属盐可深加工生产三元前驱体，增值空间明显。

以生产硫酸镍为例，通过废旧动力电池处理回收一吨镍的成本不到4万元，而通过镍矿直接生产的成本则在6万元以上。通过资源回收获得金属原料的成本低于直接矿产开发的成本，三元电池的资源回收有着降低成本的意义。

考虑到三元电池回收企业拆解贵金属后以硫酸盐形式销售给下游企业，销售价格应低于纯金属形式的市场价格。因此，假设三元电池以市场价7折的价格出售，三元电池拆解利润为3.4万元/吨。因此，到2023年，仅三元电池拆解市场规模就有望达到54.1亿元。

从成本上看，三元电池的回收成本主要由生产成本、各类费用以及税费组成。

其中，生产的主要组成部分（粗略成本估算）为：

材料成本（废旧电池、液氮、水、酸碱试剂、萃取剂、沉淀剂等）2万元/吨；

燃料动力费（电、天然气、汽油消耗量等）650元/吨；

环境管理费（废气、废水净化、废渣、灰渣处理）550元/吨；

设备费（设备维护费、折旧费）500元/吨；

人工成本（操作人员、技术员、运输人员等工资）400元/吨。

管理人员工资及销售人员、包装等分摊的管理费用等销售费用约400元/吨；增值税及所得税4000元/吨。三元电池拆解成本合计26500元/吨。按照上述34000元/吨的收入来算，拆解利润为7500元/吨。从上表可以看出2023年对应净利润空间预计超过10亿元。

通过原料回收，镍、钴、锰等金属元素回收率可达95%以上，经济效益显著。通过资源回收，可生产镍、钴、锰、锂盐，甚至进一步生产三元正极材料及前驱体，直接用于锂电池电芯制造，对构建产业链闭环具有重要意义。

磷酸铁锂电池：百亿市场二次利用潜力巨大

而磷酸铁锂电池方面，在拆解回收方面，目前应用最为广泛的湿法回收磷酸铁锂电池成本约8500元/吨，而贵金属回收料收益仅为8100元左右，因此拆解损失约400元/吨。

因此磷酸铁锂电池的回收利用主要不是通过拆解，而是通过梯次利用，梯次利用可以充分发挥其残余价值，最大化循环经济，降低储能系统建设成本。

梯级利用循环系统

二次利用是指将退役动力蓄电池经过检测、筛选、重组，重新用于低速电动汽车、备用电源、电力储能等领域，在运行条件相对较好、对电池性能要求较低的场合。

目前梯次利用的主要领域仍是储能和调峰。

梯次利用环节首先对退役动力电池进行筛选，保守估计2014年以后投入运行的动力电池梯次利用率可达60%-70%。

再有就是组串式应用，即利用每辆电动汽车拆下一组动力电池组作为独立单元，配备小功率或者中功率储能逆变器，组成基本储能单元，再将多个基本储能单元整合在一起，组成中型或者大型储能电源系统。

第三是充放电管理。对于目前的“削峰填谷”项目，以中国铁塔为例，其铁塔备用电源、削峰填谷站的备用电量需求约为（目前主要为铅酸电池，使用寿命短、能量密度低、价格低廉）。随着环保和效率的要求，铅酸电池的替代将为动力电池的梯次利用打开巨大的需求缺口。

目前主流的选择是基于PACK（电池组，即由多级串并联电池组成的模组）+BMS（电池管理系统）的梯次利用技术。

PACK工艺流程分为加工、组装、包装三个部分，核心是将多个单体电池电芯通过机械结构进行串并联连接，组成电池包。

在具体运行过程中，需要考虑整个电池组的机械强度、系统匹配等，需要热管理、电流控制与检测、模组组装设计、计算机虚拟开发等大量成熟技术的交叉协作，是梯次利用过程中的高门槛环节。

BMS电池管理系统主要作用是对各个电池单元进行智能化管理和维护，防止电池过充、过放，并实时监控电池状态，从而保护电池的寿命。

BMS是管理系统、控制、显示、通讯和信息采集等模块的集合，是整车、电池及整个电池系统之间的纽带。对于电池厂商来说，BMS体现了厂商的核心技术竞争力；而对于动力电池的梯次利用，BMS决定了回收电池的使用范围、寿命及整体价值。

狭义的梯次利用仅指电池的重组和再利用，但目前磷酸铁锂电池的梯次利用及回收体系已经形成，其内涵已经成为以可用资源为中心的全循环、多层次利用。

当车辆达到其使用寿命时（通常车辆的使用寿命比电池的使用寿命长），它将经历：

（1）筛选高性能电池：汽车生产企业、汽车拆解厂以及一些回收公司会通过检测等手段从报废电池中筛选出一致性高、性能相对优良的电池，然后组装成电池组或者委托其他公司组装成电池组，再出售给以中国铁塔为代表的下游回收企业。

（2）拆解：大部分状态不佳、没有直接使用价值的电池会被第三方回收公司回收，回收公司采用物理或湿法方式进行拆解再利用，提取铜、铝、隔膜等原材料，直接销售。磷酸铁锂电池正负极材料粉末会进入修复阶段。

（3）修复：修复的目的是进一步提纯磷酸铁锂材料粉末，获得更高的销售价格。同时梯次利用后的退役电池还将经过拆解/修复等工序，实现多维度的分层利用。

在整个回收过程中，一般回收公司有三个盈利点，分别是

（1）出售经初步筛选后状况良好、可直接回收的电池；

（2）出售已拆卸的原材料；

（3）销售修复后的正极/负极材料。

但目前梯次利用面临技术和商业化两个难题，从技术角度看，由于动力电池一致性差、寿命不一，导致BMS系统数据与电池实际状况存在偏差，导致梯次利用过程中存在安全性和产品质量方面的挑战。

从商业角度看，一方面，目前梯次利用所采用的产品标准化程度较低，另一方面，由于电池型号不同，组装所需电池基数会非常大，筛选、组装、加工成本仍然较高，只有少数技术成熟的企业才能获得经济效益。

尽管如此，不少行业龙头已经与中国铁塔等下游梯次利用企业达成了研究和应用方面的战略合作协议。随着各类动力电池标准的不断出台和实施，电池的一致性将大大提高，紧密的合作将在未来解决梯次利用的应用问题。从经济性角度测算磷酸铁锂电池的梯次利用空间。

假设采用PACK+BMS技术进行梯次利用，PACK成本约0.3元/Wh，BMS成本0.1元/Wh，废旧磷酸铁锂电池回收成本0.05元/Wh，磷酸铁锂电池梯次利用总成本约0.45元/Wh，梯次利用利润0.6元/Wh。假设磷酸铁锂电池能量密度为110Wh/kg，回收废旧电池能量衰减至70%，预计2023年梯次利用利润空间将超过50亿元。

无论是梯级利用还是拆解，我们都可以看到未来几年会逐渐开辟出一片新的蓝海，抓住这个机会的人，必将收获颇丰。