循环经济视角下废弃电池资源化利用路径优化研究

引言：

新能源产业快速发展推动电池需求量急剧增长，废弃电池数量呈指数级增长趋势，废弃电池含有锂、钴、镍等稀有金属，资源价值巨大，但传统处理方式存在资源浪费严重、环境污染风险高等问题。循环经济理念通过构建减量化-再利用 - 资源化的闭环系统，为废弃电池资源化利用提供新思路，当前技术多聚焦于单一工艺改进，缺乏系统性的路径优化方法。废弃电池种类繁多、成分复杂，不同类型电池适用的处理技术存在显著差异，亟需从循环经济视角构建科学的评价体系，建立多目标优化模型，实现废弃电池资源化利用路径的整体性优化。

1 废弃电池资源化利用现状分析

废弃电池资源化利用展现出明显区域发展不平衡特征且产业集中度较低，产业链上游制造企业和下游回收企业缺乏有效衔接，致使废弃电池流向分散追溯困难。现有处理企业规模普遍偏小，难以实现规模化经济效益，资源化利用存在结构性问题，高价值金属回收较成熟，但电解液与隔膜等组分循环利用程度低，政策法规体系不完善，生产者责任延伸制度执行力度不足，处理成本主要由回收企业承担 [1]。标准化程度低，企业间技术路径及工艺参数差异较大，且缺乏统一质量评价体系，全生命周期管理理念尚未普及，梯次利用市场接受度有限，分类收集体系不健全，混合收集现象增加处理复杂性，这些问题制约了废弃电池循环经济潜力的充分释放。

2 循环经济导向的资源化利用路径优化模型

2.1 废弃电池循环利用路径识别与分类

废弃电池循环利用路径按照 3R 原则可划分为减量化路径、再利用路径以及资源化路径三大类别，减量化路径通过电池设计优化、使用寿命延长来减少废弃电池产生量，包括模块化设计、快速充电技术以及电池健康状态监测等措施。再利用路径侧重于废弃电池的梯次利用，通过容量测试、性能评估以及重新组合等工艺，将退役动力电池应用于储能系统、备用电源以及低速电动车等领域，资源化路径聚焦于废弃电池中有价元素的深度回收，涵盖物理拆解、化学浸出、生物冶金以及高温熔炼等技术手段[2]。不同电池类型在循环利用路径选择上存在显著差异性，锂离子电池因其剩余容量相对较高更适合梯次利用，铅酸电池则更倾向于直接资源化处理（如图 1 所示），路径分类体系的建立为后续优化模型构建提供了基础框架。

图1 路径选择矩阵图

2.2 基于循环经济的多目标优化模型构建

循环经济导向的多目标优化模型以资源循环效率最大化、环境影响最小化以及经济效益最优化为核心目标函数，资源循环效率通过金属回收率、材料再利用率以及能量回收率等指标量化表征，采用加权求和方式集成为综合循环效率指数。环境影响目标函数基于 LCA 方法，涵盖温室气体排放与水体污染负荷以及固体废物产生量等维度，通过环境影响当量系数转化为统一的环境负荷指标，经济效益目标函数综合考虑处理成本、回收收益、设备投资以及运营费用等要素，建立净现值最大化的经济优化模型[3]。综合循环效率指数的计算公式为：

RCE=w_l⋅η_metal+w₂⋅η_material+w₃⋅η_energy

其中 RCE 为资源循环效率， w_I^′ W₂⋅ W₃ 分别为金属回收率、材料再利用率以及能量回收率的权重系数， η_energy 分别为对应的回收效率。模型结构采用分层递阶形式，包括目标层、准则层以及方案层三个层次，运用层次分析法确定各目标函数权重系数，求解算法选用改进 GA 算法，通过多种群协同进化以及精英保留策略提高算法收敛性能 [4]。

2.3 不同电池类型最优处理路径求解

针对锂离子电池、镍氢电池和铅酸电池这三种主要电池类型，分别去建立对应的决策变量体系以及目标函数矩阵。对于锂离子电池求解要重点考虑梯次利用阶段的容量衰减规律，建立容量与循环次数的关系模型来确定最优梯次利用终止点，同时优化后续机械拆解和湿法回收的工艺路径组合，镍氢电池求解侧重于高效提取稀土元素，建立火法 - 湿法联合处理的工艺优化模型，通过温度、时间和回收率的三维关系确定最优操作窗口[5]。铅酸电池求解基于其标准化程度高的特点，采用以成本最小化为导向的单目标优化策略，重点优化破碎分选和火法熔炼的设备配置方案，求解过程运用多目标遗传算法生成帕累托最优解集，通过理想点法从解集中选择最优妥协解。

3 优化路径实验验证与效果评估

3.1 中试规模验证实验设计与实施

中试规模验证实验依照前面所说多目标优化模型确定的路径组合方案，挑选锂离子电池、镍氢电池以及铅酸电池各 100 吨当作处理对象，按照对应的优化工艺流程开展验证工作。锂离子电池采用梯次利用 - 机械拆解 - 湿法回收路径，容量检测运用恒流放电法测定剩余容量，梯次利用筛选把容量保持率 70% 作为阈值，镍氢电池采用直接拆解 - 火法冶金 - 湿法精炼路径，拆解温度控制在 450^qC ，火法冶金温度设定成 900^qC ，湿法精炼采用硫酸浸出工艺。铅酸电池采用破碎分选 - 火法熔炼路径，破碎粒度控制在 10-20mm ，火法熔炼温度为 1000% ，实验过程持续监测各工艺环节的金属回收率、能耗水平、处理周期以及废物产生量等关键指标，同时设置传统单一工艺处理作为对照小组。实验周期为 6 个月，每月采集样品进行成分分析，通过对比分析验证优化路径的实际处理效果。

3.2 循环经济效益量化评估与综合分析

循环经济效益量化评估基于 6 个月实验数据，采用全生命周期评价方法建立涵盖环境效益、经济效益以及社会效益的综合评价体系，通过对比分析验证优化路径的综合优势。

表1 优化路径与传统路径循环经济效益对比

表 1 的对比分析表明，优化路径在关键指标上均表现出显著优势，金属回收率提升 9.5% ，单位能耗降低 12.0% ，温室气体排放减少 14.7% ，验证了优化路径的技术优越性和环境友好性。经济效益方面，净收益增长 37.7% ，投资回收期从 4.6 年缩短至 3.2 年，显示出良好的经济可行性。综合评价结果验证了基于循环经济导向的路径优化策略在提升废弃电池资源化利用综合效益方面的有效性。

结语

废弃电池资源化利用路径优化是推进循环经济发展的关键环节，优化分析表明，单一技术路径难以实现最优效果，需要根据电池类型采用差异化组合策略。物理 - 化学联合处理在资源回收方面表现突出，热处理 - 湿法组合在成本控制上具有优势，生物处理技术在环保方面展现潜力，多目标优化模型为不同场景的路径选择提供量化依据，分类别处理策略能够有效提升整体循环效率。优化成果为废弃电池循环经济体系构建提供理论支撑，未来应加强工艺集成创新，推动废弃电池资源化利用向产业化方向发展。

参考文献

[1] 丁国梁 . 循环经济视角下再生资源拆解产业园工程设计与成本优化研究——以汽车与小家电拆解为例[J]. 再生资源与循环经济,2025,18(08):6-8.

[2] 乔晓娇 , 郝宇 . “经济 - 社会 - 环境”协同视角下资源型地区焦煤 - 焦化产业绿色转型路径研究 [J]. 煤炭经济研究 ,2025,45(06):163-171.

[3] 钟燕 . 绿色物流与循环经济耦合协调发展的机制与实证研究 [J]. 中国商论 ,2025,34(11):119-124.

[4] 张璐瑶 , 陈俊良 , 李金周 , 等 . 聚焦循环经济：废弃 PET 塑料回收的研究进展 [J]. 东华大学学报 ( 自然科学版 ),2025,51(03):211-224.

[5] 杜欢政 , 陆莎 . 高标准高质量建设资源循环利用体系 [J]. 国家治理 ,2025,(03):66-70.