废旧电池可持续回收技术研究

1. 前言

电动汽车的续航能力一直是制约其发展的重要因素之一，电动汽车的能源供给模式主要以充电和换电为主。近年来政府相关部门和电动汽车企业在加速研发快充、无线充电等新技术来提高电动汽车的充电效率，积极推进快充电桩的建设和普及。与此同时电动汽车新能源汽车替代燃油汽车成为未来汽车行业的发展方向，也是我国达成“双碳” 目标和经济可持续发展的重要战略选择。 在汽车电动化的趋势背景下，锂电池使用和需求急剧扩大。 据中国汽车工业协会统计，2022 年我国新能源汽车销量呈爆发式增长，新能源汽车产和销分别达到705.8 万辆和 688.7 万辆，同比分别增长 96.9% 和 93.4% ，2025 年国内新能源汽车销量及保有量预计将分别达到880 万辆和3300 万辆。磷酸铁锂作为动力电池的重要正极材料，2024 年产量达到了 180 万吨，同比增幅 160% 。有研究表明，新能源汽车的动力电池的理论寿命为4～8 年，第一波动力电池淘汰退役潮已于2020 年前后出现，2017 年前后国内大量装机的动力电池也在2024 年迎来回收放量期。 如何妥善处理日益增长的废旧锂电池是当下面临的重大机遇与挑战，回收锂离子电池对减少环境污染、缓解资源压力具有重要意义。

2. 研究现状

在动力电池发展初期，我国主要推广的是磷酸铁锂电池。 废旧磷酸铁锂电池虽在退役锂离子电池中具有更高占比，但由于其原料中缺乏贵金属、价格低廉，在锂价上涨前 磷酸铁锂电池的回收几乎无法实现经济效益，因而缺乏成熟的回收工艺研究和广泛的产业化。近年来，随着碳酸锂价格不断攀升，回收废磷酸铁锂经济效益逐渐凸显，新兴的回收废磷酸铁锂技术和工艺陆续涌现。本文从工艺工业化可行性、经济、环保等角度分析阐述处理废磷酸铁锂 电池的回收领域背景现状，介绍了回收前的预处理工作、传统且易于工业化的湿法冶金技术、极具发展前景的原位再生修复工艺等，总结了近年来不同回收技术的工作进展和最新发展方向。正极材料在锂电池材料成本中占比最高，直接影响电池的性能与整体成本。 磷酸铁锂具有优异的循环寿命、成本低、安全、绿色环保等优势，优先在动力电池正极材料领域推广应用，但由于其能量密度低、振实密度不高，其产销量曾一度低于三元电池，直到比亚迪刀片电池的成功研制，极大改善了磷酸铁锂电池的性能，这也使得 磷酸铁锂电池和三元电池的竞争格局再次反转，我国磷酸铁锂产量也在2022 年5 月再次超越三元材料。随着新能源汽车的性价比优势愈发显现，新能源汽车行业前景不可估量，其市场需求将会持续火热。 除动力电池外，储能电池市场也在2022 年飞速扩展，特别继欧洲能源危机后，全球各地均在加速分布式风电、光伏的发展，据全球风能理事会市场信息平台预计，2021～2026 年全球风能将新增557GW 装机量，年均新增装机量不低于110GW；2021年全球光伏累计装机容量已超过940GW，年均复合增长率达 35.15% 。未来以风电、光伏发电为主要形式的非化石能源将逐渐占据电力系统的主体地位，绿色电力的发展必然需要储能电池材料的支持。 而磷酸铁锂电池具有的优点，非常适用于绿色电力行业的大规模电力储存、发电站发电安全并网、电网调峰、分布式电站、应急电源系统等领域。新能源汽车行业和储能行业的爆发式发展极大地拉动了磷酸铁锂材料的需求，然而随着电池生命周期临近，伴随而来的废磷酸铁锂电池的回收问题也日益凸显，现阶段磷酸铁锂电池为主要退役电池。 在2021 年碳酸锂价格大涨前，磷酸铁锂电池回收鲜有系统的技术研究和产业化工艺，退役磷酸铁锂 电池绿色拆解回收、关键技术方面短板严重阻碍了其梯次利用、回收行业的绿色可持续性发展，突破磷酸铁锂电池回收拆解过程中的核心技术壁垒、完善磷酸铁锂电池回收体系已经刻不容缓。磷酸铁锂电池主要由正极材料、负极材料、集流器、隔膜、电解液、电池外包装组成。正极材料为涂布有磷酸铁锂、导电剂乙炔黑 、黏结剂、溶剂混合物的铝箔，该部分是磷酸铁锂回收的核心价值部件；负极材料通常为涂覆有石墨、黏结剂 、增稠剂 、导电剂乙炔黑 混合物的铜箔；电解液作为锂离子扩散的重要载体，是电池发生电化学反应的前提，目前商用的电解液是有机溶剂与六氟磷酸锂组成的无水系统；隔膜为防止正负极接触短路而分割正负极的屏障，通常由多孔聚乙烯或聚丙烯制成；电池外包装主要有钢壳、铝壳、软包装铝塑膜等。退役电池包经放电处理后再进行破碎分选处理，或在保护性气氛中直接带电破碎，而后通过选矿手段将正极材料、负极材料、隔膜、电解液、金属外包装等核心组分进行分离。

当前磷酸铁锂市场呈爆发式扩张，回收废磷酸铁锂 技术的研发成为解决环境污染和能源危机的重点内容。湿法回收磷酸铁锂电池正极材料是当前产线化回收废磷酸铁锂的主流技术，它具有工艺体系成熟、回收高效、原料适应性广、废气污染小等优势，但为实现充分浸出而过量使用的酸碱也不可避免地导致了二次污染的发生，增加了该工艺的环保压力和回收成本。 绿色高效浸出剂替代传统酸碱、高度选择性浸出闭路循环的新兴工艺是湿法冶金回收废磷酸铁锂的未来发展方向。 原位再生修复工艺成本低廉，修复所得正极材料产品附加值高，是种经济效益相当可观的短流程、绿色回收再生废旧正极材料工艺，非常具有市场前景。但该工艺对待修复材料纯度要求严苛，且缺乏有效的除杂手段，因而仅适用于与电解液黏结剂完全剥离的、杂质含量较低、未发生严重不可逆相变的正极材料。该工艺的产业化需要尽快建立电池材料失效机制的快速检测分析、精准分类标准。

3. 结束语

我国在废旧电池循环利用方面的宣传力度不足，社会和公众对电池回收重要性的认识不深、自觉回收意识淡漠，使部分废旧电池被随意丢弃或不当处理，造成了一定程度的环境污染。建议加强宣传和推广力度，提高市场对循环利用磷酸铁锂电池的认知与接受度；回收产业中各环节企业开展沟通与合作，联合推动退役磷酸铁锂电池在储能等重点领域中的二次利用。开展环境保护教育活动，提高公众环境保护意识，积极在学校、社区、媒体普及废旧电池对环境的危害性以及回收再利用的重要性；通过多种形式展示磷酸铁锂电池回收再利用的环境保护和经济效益、磷酸铁锂电池循环利用的成功案例和示范项目，吸引全社会的关注和参与。

参考文献

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