【《车用动力电池回收处理的技术发展现状分析综述》4700字】

PAGE8车用动力电池回收处理的技术发展现状分析综述电动汽车的发展背景与现状近年来，中国的汽车产业发展迅猛。从产销量数据来看，2020年中国汽车生产量为2532.5万辆，同比增长5.7%，销售量为2531.1万辆，同比增长6.4%，继续蝉联全球第一。从保有量来看，2020年中国汽车保有量达2.81亿辆，相比于2009年保有量约为6273万辆；2020年汽车千人保有量超200辆，相比于2009年汽车千人保有量为47辆。中国已经迅速成长为世界第一汽车大国，并且这一增长速度仍有继续保持的态势。尽管中国汽车市场发展迅速，但是国内外专家学者普遍认为中国还只能称为汽车大国而非汽车强国。对新能源汽车的发展研究将可能是中国成为汽车强国的途径，其中最主要的突破点是电动汽车。电动汽车（即新能源汽车）包括纯电动汽车、混合动力汽车、插电式混合动力汽车、燃料电池汽车等。根据国务院在2012年发布的《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020）》文件中，中国的新能源汽车累积产销量要在2020年达到500万辆，而其中大多数为电动汽车。在政策发布后，中央及地方政府为扶持新能源汽车产业发展出台了一系列政策进行补贴，补贴政策从2013年制定完毕，到2016年开始发放大量补贴。以中央政府为例，财政部、科技部、工信部和发改委在2015年共同发布了《关于2016-2020年新能源汽车推广应用财政支持政策的通知》，面向消费者对购买纳入“新能源汽车推广应用工程推荐车型目录”的纯电动汽车、插电式混合动力汽车和燃料电池汽车进行补贴，补助标准主要依据节能减排效果、生产成本、规模效应、技术进步等因素。以北京市政府为例，在2018年颁布实行的《北京市推广应用新能源汽车管理办法》中，将新能源汽车细分为纯电动汽车和燃料电池汽车。《办法》中制订了一系列促进新能源汽车发展的政策，包括对市场进行规范、全面宏观布局完善充电基础设施体系、建立新能源汽车产品质量安全责任制等。在国家战略规划和一系列政策的推动下，新能源汽车在中国得以迅猛发展。以电动汽车和插电式混合动力汽车为例，2020年新能源汽车生产量为145.6万辆，同比增长55.7%，销售量为136.7万辆，同比增长49.5%。截止2020年底，累积产销量突破了500万辆，实现了前述目标。总而言之，电动汽车所代表的新能源汽车在汽车产业中占据越来越重要的地位，中国作为全球最大的汽车生产国和汽车市场，在新能源汽车领域的支持和发展上也是全球领先的。未来在国家政策的扶持和电动汽车自身技术进步的前提下，电动汽车的市场渗透率将会继续稳步提高，各大车企也会增加对电动汽车的投入，电动汽车将会逐步替代内燃机汽车的地位。电动汽车的回收处理背景与现状随着电动汽车的迅速发展，中国电动汽车的市场渗透率和保有量正快速攀升。随之而来的，是报废电动汽车的回收处理问题。根据统计数据显示，我国私家车年平均行驶里程约为1.6万千米，私人乘用车平均报废年限为12~15年。根据2012年12月27日商务部、国家发展和改革委员会、公安部、环境保护部等发布的《机动车强制报废标准规定》，我国废除了先前对于机动车15年的强制报废规定，当车辆累积行驶里程达到一定数额的时候，采取引导报废的方式进行检验报废。对于小、微型非营运载客汽车和大型非营运载客汽车、轿车而言，当行驶里程达到60万千米时将进行引导报废，公交客运汽车、专用校车的引导报废里程则为40万千米。对于电动汽车，报废标准与传统燃油车相同，一般的私家车报废里程为60万千米，预计平均报废年限为12~15年。但是对于电动汽车而言，其使用寿命受限于动力电池的使用寿命。按照我国私家车年平均行驶里程为1.6万千米进行估计，纯电动汽车与插电式混合动力汽车的动力电池组使用寿命约为4~6年左右，对于公交车、出租车等日平均里程较长的车型，充电频率较高，动力电池组寿命可能为2~3年。根据2018年2月26日工信部等部门联合印发的《新能源汽车动力电池蓄电池回收利用管理暂行办法》，在对报废电动汽车的退役动力蓄电池进行拆解后，退役电池将进行单独的处理回收，而报废电动汽车的其他部分将和内燃机车共同进行回收处理。电动汽车的动力电池类型不尽相同。从电池主要反应元素的角度分类，包括镍氢电池（已逐步被淘汰）、锂离子电池、燃料电池等；对锂离子电池根据正极材料进行细分，还包括有磷酸铁锂电池、锰酸锂电池、钴酸锂电池、镍钴锰三元锂电池、镍钴铝三元锂电池等。根据我国公布的前40批节能与新能源汽车示范推广应用工程推荐车型目录及相关统计信息，各类型锂离子电池的比例约为：磷酸铁锂电池：锰酸锂电池：三元锂电池=54：7：1。根据统计数据及预测，2020年中国电动汽车锂电池报废量达7.7万吨，2024年预计达到29.1万吨，年增长率约为41%。结合对未来电动汽车发展预测，未来电动汽车锂电池年报废量将维持在较高水平。总而言之，随着电动汽车的不断发展，报废电动汽车的回收处理问题将带来与传统内燃机车不同的困难。从政策制订角度来说，对于电动汽车的专门的报废处理尚处于缺失状态。与传统内燃机车相比，电动汽车的回收处理过程中最重要的是对动力电池的回收处理，一方面因为动力电池中含有贵重金属元素和具有较高经济效益的物质，另一方面如果对动力电池进行适当的直接回收处理，能够为动力电池的生产提供可用的原材料，降低生产成本。车用动力电池回收处理的技术背景1.1.3.1梯次利用技术电池的梯次利用是指在电池退役时，将电池从报废汽车中取出，进行机械拆解、集合成具有统一形式的电池单体或者电池包。这些退役、处理后的电池，可以固定到电网中，作为风能、太阳能等可再生清洁能源的储存系统的组成部分，发挥二次利用的价值。目前，国家和企业对车用动力电池的退役条件要求为健康状态（StateofHealth，SoH）为初始状态的80%。健康状态指电池的当前的荷电状态与初始的荷电状态的比值，荷电状态（StateofCharge，SoC）指电池的满电状态下的最大放电量。电池的失效机理有多方面因素，其中包括正极活性材料中活性锂离子的缺失、正极活性材料中锂离子的流失、正极活性材料晶体结构的变化、电解液的分解与变质、集流体的腐蚀等。随着电池充放电循环次数的增加，电池的循环寿命降低；随着电池使用时间的不断增加，电池的日历寿命降低。一般地，动力电池在使用4~6年左右时，健康状态下降至80%。当动力电池的健康状态到达80%时，电池的功率、容量、安全性下降，此时已不再适用于电动汽车进行使用，但仍能够满足其他较低层次的电池需求。电池的健康状态在随循环次数变化的曲线中，在初期呈现匀速下降的趋势，在到达某一点的时候，健康状态迅速下降至较低水平，然后继续缓速下降，这一点被称为“跳水点”。一般地，磷酸铁锂电池和镍钴锰三元锂电池的跳水点在健康状态60~70%之间。在动力电池退役时，其健康状态距离跳水点仍有较大距离，因此仍有进行梯次利用的潜在价值。随着对风能、太阳能等可再生清洁能源的开发和利用逐渐加强，相关能源系统的基础设施建设也在逐步进行中。与传统的火力发电等形式不同，风能、太阳能、水能等能源来源具有较强的时域差异，风力的强弱、日照时间和强度的周期性变化、水能的丰盛与枯竭等因素使得这些能源电力具有极强的不稳定性，因此，建设与之相匹配的具有较大储备能力的储能系统是具有必要性的。储能系统的本质相当于一个蓄水池，当来源充沛时，能够将多余发电量存入储能系统，当来源不足以支撑电网运作时，能够将储存能量放出进行使用。此外，电池包还可以在不同地点之间进行运输，实现在更为广阔的地域内的能量储备。1.1.3.2修复再生技术电池的修复再生是指对于退役动力电池的正极活性材料及负极活性材料进行化学加工，使其化学活性得到修复，从而应用于新电池的正负极生产，实现可持续再生。车用动力电池的失效机理见图1.1所示。磷酸铁锂电池的正极活性材料的失效机理是活性锂离子的缺失以及储锂结构的破坏，而磷酸铁锂的晶体结构为橄榄石结构，具有较强的稳定性，因此只要晶格结构不被破坏，就具有修复再生的可能性。镍钴锰三元锂电池的正极活性材料的失效机理是活性锂离子的缺失与晶相结构的变化，随着锂离子的流失，过渡金属阳离子（如镍离子）开始在层间迁移，在反复充放电的过程中发生变化，缓慢地引起不可逆的相结构变化，层状结构在层间被破坏。目前存在一种熔融盐法，利用共熔混合物的低共熔点优势来降低反应温度，固液间的离子扩散速度比固固反应更快，从而修复再生失效三元材料的晶体结构，还原材料晶体结构和电化学性能。图1.1车用动力电池失效机理微观层面示意图修复再生技术是将正极活性材料进行修复再生之后，结合新的负极活性材料、电解液、集流体等材料，封装制造成二次电池。二次电池的正极活性材料尽管已进行过修复再生，但其化学性能相比于一次电池的正极活性材料仍然较差。因此，修复再生制成的二次电池，其能量密度、健康状态相比于一次电池有5%的下降，这一下降比例与经历过的循环次数成正比。此外，在修复再生过程中需要外加锂源，用以补充活性锂离子总量为退役前的105%。总而言之，修复再生技术是一项需要投入锂源、其他活性原材料，经历复杂的工艺流程后，得到电化学性能部分修复的二次电池的技术。由于其工艺流程较冶金回收更简单、制备正极活性材料更高效，因此具有广阔的研究前景。1.1.3.3冶金回收技术对动力电池进行冶金回收的处理是一项相对成熟的技术。在铅蓄电池的回收技术中，主要应用的就是冶金回收技术。简单来说，依照回收过程的技术手段进行区分，可分为火法回收和湿法回收两类回收技术。火法冶金回收利用高温炉将金属氧化物成分还原为钴、铁、镍、锂等合金。所涉及的高温意味着这些电池是熔炼的，而这一过程已经建立了商业化的过程。这对于一般的锂离子电池的回收利用尤其有效。由于金属电流收集器有助于冶炼过程，该技术具有重要的优点，它可以用于整个电池模块，而无需事先进行钝化步骤。火法冶金过程的产物是金属合金碎片、熔渣和气体。在较低温度（<150°C）下产生的气体产物包括电解液和粘合剂成分中的挥发性有机物。在较高的温度下，聚合物分解并燃烧。金属合金可通过湿法冶金分离为各成分金属，炉渣通常含有金属铝、锰和锂，这些金属可通过进一步的湿法冶金回收，也可用于其他行业，如水泥行业。在火法冶金过程中，通常不考虑回收电解液和塑料或其他成分（如锂盐）。尽管存在环境缺陷、高能源成本和回收材料数量有限，这仍然是提取钴和镍等高价值过渡金属的常用方法。湿法冶金回收包括使用水溶液从阴极材料中浸出所需的金属。到目前为止，最常见的试剂组合是H2SO4/H大多数当前的回收工艺都属于“试剂回收”范畴，因为这些