【中國儲能網(wǎng)】李麗：廢舊鋰離子電池回收處理技術(shù)與資源化再生技術(shù)進(jìn)展
發(fā)布日期：2018-06-01 供稿：中國儲能網(wǎng) 編輯：薛喬丹 審核：王征 閱讀次數(shù)：
原文標(biāo)題：李麗：廢舊鋰離子電池回收處理技術(shù)與資源化再生技術(shù)進(jìn)展
5月19日至21日，“第八屆中國國際儲能大會”在深圳隆重召開， 來自中國、美國、德國、英國、加拿大、西班牙、日本、韓國、澳大利亞等國和地區(qū)1500余位政府機(jī)構(gòu)、科研院所、行業(yè)組織、電力公司、新能源項目單位、系統(tǒng)集成商等代表出席本次大會。
北京理工大學(xué)教授李麗在儲能電池專場，發(fā)表了題為“廢舊鋰離子電池回收處理技術(shù)與資源化再生技術(shù)進(jìn)展”的精彩演講。
演講內(nèi)容如下：
李麗：今天跟大家交流的題目是鋰離子電池回收處理及資源化再生技術(shù)進(jìn)展。首先我們根據(jù)當(dāng)時世界能源需求背景，由2017年美國能源信息中心發(fā)布的關(guān)于國際能源展望的數(shù)據(jù)分析，從1990年至今及其對2040年期間的能源需求量預(yù)測，傳統(tǒng)化石能源，包括煤、石油、天然氣穩(wěn)步增長，我們所關(guān)注的綠色曲線--可再生能源，發(fā)展趨勢迅猛。在可再生能源中，風(fēng)能和太陽能發(fā)展最為迅速。當(dāng)前新能源的發(fā)展面臨很多挑戰(zhàn)與機(jī)遇。鑒于中國、美國等國家在電動汽車保有量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2016年全球電動汽車，包括EV和PHEV的保有量超過200萬輛，2017年超過300萬輛。鋰離子電池作為電動汽車核心關(guān)鍵部件之一，使用量逐年迅速遞增，從電池成本和能源節(jié)約兩方面考慮，廢舊鋰離子電池回收利用與資源化再生是目前本領(lǐng)域研究的熱點之一。
結(jié)合廢舊鋰離子電池回收的數(shù)據(jù)分析，左上角綠色點曲線是2011年1月到2017年12月統(tǒng)計的電動汽車用鋰離子電池增長趨勢相關(guān)數(shù)據(jù)，2017年產(chǎn)量已達(dá)到32GWh以上。目前電動汽車用鋰離子動力電池正極材料的兩大主流體系：磷酸鐵鋰和鎳鈷錳三元材料。從柱形圖對比可知不同組份的三元正極材料，包括611、532、111等不同體系及磷酸鐵鋰材料，其金屬元素分配的比例差異明顯。從世界權(quán)威機(jī)構(gòu)倫敦金屬交易所實時跟蹤每種金屬的價格趨勢，可以看到金屬鈷的價格一直居高不下。2017年鈷的平均價格達(dá)到每噸5.5萬美元，碳酸鋰為2.5萬美元每噸，2018年1月鈷的價格上升到每噸7.7萬美元。從電池成本控制及對環(huán)境影響兩個角度考慮，縱觀鋰離子電池的全生命周期，其原材料價格上漲對單體電池及電池組價格有很大影響。生產(chǎn)過程中能源消耗、生產(chǎn)規(guī)模及對環(huán)境影響無疑會增加其成本。在使用過程中，鋰離子電池循環(huán)壽命的延長，在一定程度上相當(dāng)于降低了電池的使用成本，同時注重對廢舊鋰離子電池進(jìn)行綠色高效的回收和資源化再利用。
我們對該領(lǐng)域國內(nèi)外文獻(xiàn)進(jìn)行系統(tǒng)分析與梳理， 2000年左右電池回收文獻(xiàn)非常少，且主要是關(guān)于廢舊鉛酸回收處理技術(shù)。從2002年以后，該領(lǐng)域的文章數(shù)目量有明顯增加，主要是中國、韓國、巴西、印度、美國、澳大利亞等國家的相關(guān)高校和科研機(jī)構(gòu)，其中中國科學(xué)家的貢獻(xiàn)量最大。研究機(jī)構(gòu)中工作集中單位分別是北京理工大學(xué)、清華大學(xué)、韓國地理地質(zhì)研究所、中科院、中南大學(xué)等單位。右側(cè)餅型圖是科研人員的研究工作重點分配比例，95%左右集中在正極，對于單體電池來講正極成本占30%左右，具有較高的經(jīng)濟(jì)價值，僅5%左右的研究內(nèi)容放在負(fù)極和電解液方面。
從目前的發(fā)展趨勢來看有以下幾種技術(shù)途徑：第一是拆解與預(yù)處理，國內(nèi)外電池回收企業(yè)對電池拆解和預(yù)處理投入很大，包括安全放電、篩分、破碎、浮選等。第二是濕法處理工藝，包括后期金屬分離和除雜，以及浸出液重新再生合成為前驅(qū)體。第三是火法處理工藝，關(guān)鍵步驟是高溫煅燒熔煉，其產(chǎn)物雜質(zhì)含量比較高，產(chǎn)品附加值較低。縱觀鋰離子電池全生命周期，如何控制廢舊鋰離子電池全生命周期能耗問題應(yīng)進(jìn)行重點技術(shù)攻關(guān)。
國內(nèi)外在該領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展發(fā)展較快。在預(yù)處理方面，從左圖可以看到預(yù)處理工藝的基本流程，電池材料體系、電解液組分、SOH均會嚴(yán)重影響破碎過程中釋放出的產(chǎn)物種類與含量。從右側(cè)的柱形圖中可以明顯看到主要氣體釋放量是DMC、EMC、二氧化碳等，這些均是導(dǎo)致環(huán)境大氣污染物的主要來源。經(jīng)過反復(fù)充放電循環(huán)后，通過高倍透射電鏡可以觀察到正負(fù)極材料表面被均勻的有機(jī)物包裹，勢必會影響后期浮選過程，如果先對電池材料采用芬頓試劑預(yù)處理，使表層有機(jī)物進(jìn)行分步逐級講解為小分子，將有利于后期疏水、親水材料的高效分離。在火法處理工藝處理方面，最新報道的是原位現(xiàn)場金屬火法熔煉技術(shù)工藝，針對不同體系，包括錳酸鋰、鈷酸鋰和三元材料，在700-900度之間高溫煅燒，生成碳酸鋰產(chǎn)物。磷酸鐵鋰正極材料經(jīng)過反復(fù)充放電循環(huán)后，生成了磷酸鐵、氧化鐵和五氧化二磷等非活性相，本體材料晶格上鋰元素嚴(yán)重缺失，經(jīng)過補(bǔ)鋰高溫煅燒重新合成磷酸鐵鋰正極材料。
我們課題組在吳鋒院士的帶領(lǐng)下，依托國家重點基礎(chǔ)研發(fā)973計劃項目，建有二次電池及能源材料設(shè)計與工況仿真平臺、材料試制研究平臺、材料性能評價研究平臺和X射線-電化學(xué)原位分析集成平臺。在廢舊鋰離子回收和資源化再利用研發(fā)方面，我們的研究特色是如何實現(xiàn)廢舊二次電池關(guān)鍵材料的高效綠色回收技術(shù)途徑，推動本領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展。本課題組從1999年開始從事廢舊二次電池的綠色回收與資源化再生工作，累計近二十年的研究成果，現(xiàn)將近兩年的代表性工作介紹如下。第一項研究成果發(fā)表在2018年J. Power Sources上，以對環(huán)境友好浸出體系，對廢舊鋰離子電池用鎳鈷錳三元正極材料進(jìn)行回收及再生合成，過程高效且產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)效益好，實現(xiàn)了有限資源的循環(huán)回收，節(jié)約資源的同時，也避免對環(huán)境造成二次污染；第二項研究成果發(fā)表在2018年Waste Management上，分別從宏觀和微觀角度對回收過程中金屬離子浸出機(jī)理進(jìn)行了科學(xué)地分析和判斷，對廢舊鋰離子正極材料回收技術(shù)具有一定的指導(dǎo)意義。第三項研究成果發(fā)表在2017年ACS Appl. Mater. Interfaces，是本課題組引進(jìn)的美國佛羅里達(dá)大學(xué)副教授姚瑩做的工作，將廢舊鋰離子電池負(fù)極回收制備碳吸附劑，所回收制備的碳吸附劑處理含磷污水后還可直接作為土壤緩釋肥，磷吸附量高達(dá)588 mg/g，是目前碳類吸附劑最高之一。
最后提出廢舊鋰離子電池回收處理的挑戰(zhàn)和前景展望, 隨著電動車的急速發(fā)展，廢舊鋰離子電池的處理問題在今后會愈加突出，主要包括動力電池的梯次利用、安全拆解、除雜分離、高效回收再生等問題，應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)該領(lǐng)域的技術(shù)突破與商業(yè)模式創(chuàng)新。
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