动力电池回收态势分析与技术展望

动力电池回收态势分析与技术展望

随着新能源汽车存量增加和动力电池“退役潮”的来临，动力电

池回收作为解决环保问题、补充上游资源的重要手段，其行业地位和

发展前景逐步提升。本文以动力电池回收领域近30多年来的研究论

文⑴和专利申请⑵为基础，利用文献数量、专利数据进行态势分析，

结合近十多年来的显著进展，系统梳理回收过程中亟待解决的问题,

以期为我国动力电池回收领域相关动向提供参考。

一、动力电池文献研究和专利申请呈现快速增长趋势

文献研究方面，1991—2007年，动力电池回收相关文献数量较

低，整体数量增长缓慢；2008-2014年，随着欧盟修订版《电池指

令》强制推进退役动力电池的回收利用工作等政策影响，电池回收文

献数量逐渐增长；2015-2020年，中国陪续发布《生产者责任延伸

制度推行方案》《新能源汽车废旧电池动力蓄电池综合利用行业规范

条件》《新能源汽车动力蓄电池梯次利用管理办法》等，激励科研机

构和企业研究制定可操作的废旧动力蓄电池回收处理、再利用方案的

积极性，这一时间段，文献数量增长迅速；2020年以后，各国迎来

电池退役潮，全球动力电池市场竞争愈发激烈的背景下，回收领域文

献数量增速进一步提升。

图1动力电池回收领域文献发表数量年度变化

专利申请方面，1990s的专利申请数量稳定在200多件，2007年

以前的专利申请数量较少且增长缓慢；2008-2015年，申请数量开

始有所增长，但增速仍然较缓；2015年以后，受政策驱动和企业布

局等影响，科研机构、高校以及企业等积极开展电动汽车动力电池回

收利用工作，以期建立上中下游联动的动力电池回收利用体系，促使

专利申请数量大幅提升。总体来看，动力电池回收专利申请趋势虽有

波动，但整体上呈现上升态势。随着2020年后各国积极部署交通运

输部门脱碳，汽车电气化占比越来越高，动力电池回收技术的研究将

逐步走向成熟，放电预处理、拆解、浸出、金属分离提取、前驱体合

成等技术开始广泛应用，电池回收技术研发体系日渐完善。

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图2动力电池回收领域专利技术申请年度变化

二、中国研究机构和主要企业积极参与动力电池回收研究

从文献数量来看，中国（43.04%）、美国（13.76%）的发文量位

居全球第一、第二。德国、韩国、印度、英国、日本和澳大利亚的论

文数量均超过200篇。其中，被引频次方面，中国位列第一（76773）,

其次为美国（43609）、英国（17556）；篇均被引频次方面，则是法

国位列第一（90）,其次为英国（65.26）、美国（55.91）,中国相

对较低（31.48）。从机构发文量来看，中国科学院（265）、中南大

学（231）、北京理工大学（188）的发文量位居全球前三，中国科学

院过程工程研究所（45）、长春应用化学研究所（14）、生态环境研

究中心（13）的发文量、被引频次、篇均被引频次较高。

从专利申请来看,中国（48.3%）、日本（16.24%）、美国（8.84%）、

韩国（6.65%）和德国（3.52%）的专利申请数量居于全球前五，专利

数量约占总量的83.56%,其余国家的专利数量较低。住友商事株式

会社（922）、邦普循环科技有限公司（905）、丰田汽车公司（455）、

中国科学院（381）和吉坤日矿日石金属株式会社（363）的专利申请

数量居于全球前五企业/机构。邦普循环科技有限公司（905）、中南

大学（267）、格林美股份有限公司（166）、中国科学院过程工程研

究所（164）和合肥国轩有限公司（155）等国内企业/机构处于行业

领先地位。

三、各国研究主题和研发技术存在显著差异

中国电池回收以锂电池的湿法回收为主，主要在废旧锂电池

（spentLibattery）领域开展研究与探索，包括正极材料（cathode

material）和负极材料（anodematerial）回收再利用、浸出（leaching）

和溶剂萃取（solventextraction）工艺升级改造、电池拆解分离

（separation）等主题，技术研发主要集中在负极片、磷酸铁锂和回

收方法方面。

美国注重电池的生命周期评估（lifecycleassessment）和可

持续性（sustainability）,最早开始布局低污染、高效能的固体氧

化物燃料电池（solidoxidefuelcell）研发，目前基本实现商业

化，早期的固体氧化物燃料电池也已进入退役阶段，促进相关回收技

术不断发展。

德国在锂电池（Libattery）回收领域积累了丰富的经验与成果,

从锂电池中回收锂（lithium）等关键材料的技术较为成熟，同时严

格要求电池制造商在整个生命周期(lifecycleassessment)考虑

可回收性，确保电池的合规回收和处理。

除上述3个国家外，其余国家，如韩国、印度、英国等也在电池

回收方面积极布局，包括回收钻(cobalt)等关键金属原材料、升级

浸出(leaching)工艺等。

四、动力电池回收研究进展

近10多年来动力电池回收领域在放电处理、拆解粉碎、分离提

取和回收方法改进等方面进展显著：

(1)放电处理。废旧动力电池通常有物理放电和化学放电两种

放电预处理方式，多项研究指出相比于物理放电，化学放电效率更高、

安全性更强，如研究利用石墨粉和铜粉的放电实验发现物理放电虽然

可以迅速释放电量，但会释放大量热能，安全性不高，难以实现规模

化和自动化⑶；通过分析物理及化学手段对电池放电的影响，发现化

学放电更适宜使用，氯化钠和硫酸铁混合溶液可以大幅缩短放电时间

⑷；而针对化学放电过程中的有机电解质泄露问题，上海交通大学团

队发现硫酸镒溶液可以作为电池放电介质，其在放电过程中形成的隔

离膜能避免电偶腐蚀和有机电解质泄露⑸。

(2)拆解粉碎。拆解方式分为人工拆解和机器拆解。由于拆解

过程有爆炸和燃烧等风险，机器拆解逐渐推行。不过机器拆解虽然可

以消除危险，但由于电池系统的复杂性和其他潜在问题，仅靠机器拆

解仍有一定局限性⑻。当前使用最多的方法是人机结合拆解，如有研

究设计出动力电池拆解装置的系统布局图，送仓-环切-切断-取芯等

过程由机械手操作⑺。更加精细的拆解工艺采用X射线测量的方式,

先确定层压汇流条在电池中的位置，然后调节切割刀片的相对位置,

使刀片能够沿着层压汇流条精准切割⑻。

(3)分离提取。分离方法包括机械分离、溶剂萃取、加热处理。

研究表明，机械分离虽然操作简单，成本较低，但为r分离电极极粉，

需要将集流体破碎至极细粒度，容易使得大量极细铜/铝粉末进入到

极粉中造成物料二次污染，加大后续锂的提取难度⑼。溶剂萃取分离

极粉的效果较好，但操作复杂且有机试剂具有毒性，其中，毒性较小、

价格适中的N-二甲基乙酰胺作为有机试剂分离正极活性材料与铝箔

[10]

的效果较好，正极物质回收率达到97.59%o加热处理可以除氟且

分离效果较好，不足之处在于能耗较高，且聚偏二氟乙烯加热分解中

会释放出有毒的氢氟酸，这就需要进一步处理释放的尾气”，600℃、

30分钟条件下进行浮选分离的磷酸铁锂回收率为95.17嫖⑵。

(4)方法改进。常用的回收方法主要有物理回收、干法回收、

湿法回收等。物理回收能耗较低、效率较高、灵活性强，主要包括破

碎浮选和机械研磨等技术，研磨和浮选相结合可用于回收氧化锂钻和

石墨，回收率约为49.32%和73.56%⑶。干法回收包括高温冶炼和还

原焙烧，将石墨和氧化锂钻电池的正极材料进行无氧焙烧，可分解成

钻、碳酸锂和石墨混合物，再通过湿法磁选进一步分离，可以使得锂、

钻和石墨的回收率分别达到约98.93%、95.72%.91.00%叫湿法回

收是目前最常用的回收方法，其中，在95℃环境下利用饱和碳酸钠

与锂离子反应回收生成碳酸锂的锂回收方式工艺简单、过程环保，具

有较大的应用潜力1⑸。

五、动力电池回收未来展望

通过梳理近5年来的高被引动力电池回收领域文献，发现电池放

电处理、拆解粉碎、分离提取和回收方法方面均存在亟待解决的问题。

放电处理环节中电池剩余寿命预测方法存在一定不足，电池剩余

寿命检测易受建模方法、结果可用性等干扰，放电处理工艺的改进既

需要考虑加快放电速率，也要考虑环境保护和健康保障；拆解粉碎环

节距离智能化、数字化仍有一定差距，拆解过程的复杂程度和安全问

题受到电池设计、成组方式、使用工况等影响；安全、绿色、低成本

的分离提取技术缺乏，电极材料、电解液、隔膜等高附加值的中间品

难度