众所周知,电动汽车跨越式增长促进了动力电池产业与技术的高速发展。受益于锂电池需求旺盛以及南美盐湖锂产能减产等因素,国内电池级碳酸锂平均价格由2014年6月的3.9万元/吨,一路上涨到了2015年12月的12.9万元/吨,累计涨幅达到230%!

值得注意的是,我国目前已成为世界上最大的锂资源消费国。随着锂资源需求日益增加,需求量和储量之间的矛盾逐渐凸显,废旧电池的梯次利用和回收利用也越来越受到各方的重视。如何有效进行动力电池的梯次利用和锂资源回收成为我国动力电池技术发展的重要课题之一。

「 话题① 梯次利用与回收利用 」

【背景】电动汽车的动力电池性能会随着充电次数的增加而衰减,当电池容量衰减至额定容量的80%以下时,动力电池就不适于应用在电动汽车上,这意味着其在电动汽车上的使用寿命终止。如果直接将电池淘汰,必将造成资源的严重浪费,同时也会导致环境污染。

针对退役的动力电池,有两种可行的处理方法。一种是直接作为工业废品,进行报废和拆解,提炼其中的原材料,实现原材料的循环利用。另一种方式则是考虑退役的动力电池,虽然已经不满足汽车的使用条件,但仍然拥有一定的余能,其寿命并未完全终止,可以用在其他领域作为电能的载体使用,从而充分发挥其剩余价值。

中国电科院储能与电工新技术研究所高级工程师刘道坦

动力电池梯次利用需要考虑三个问题

动力电池梯次利用的意义在于从电池原材料—电池—电池系统—汽车应用—二次利用—资源回收—电池原材料的电池全生命周期使用角度考虑,可以降低电池成本,避免环境污染。

2009年日本东芝提出对SCIB电池进行二次利用。2013年之后,国内众多动力电池企业、电动汽车企业也都积极开展动力电池梯次利用基础研究。电动汽车市场化快速发展让动力电池的梯次利用有了“现实需求”,研发及应用逐渐增多。

电动汽车的梯次利用要考虑到电动汽车的复杂性,但技术上总体可行。在工程示范应用方面,国网建有30KW/1MWh梯次利用锰酸锂电池储能系统和250KW/1MWh梯次利用磷酸铁锂电池储能系统。

总体来讲,我们需要关注三个方面的问题:

①技术性可行性方面:包括老化程度、后期衰退、安全性、可靠性,涉及到老化、失效机理,后续寿命,安全性、可靠性检测、分级筛选技术、工况测试,重组与管理技术等方面,但相关标准目前仍缺失。

②经济可行性方面,包括旧电池成本计运输/检测、重组成本,新电池成本的快速降低,低成本的竞争性储能技术,再利用的收益,需要快速检测/分选/成本技术,电池系统组件综合再利用等。

③市场方面,所有权复杂、电池残值、风险责任、电力市场,这方面还需要政府支撑与扶持,产业界的积极响应和。

总体来说,随着动力电池技术进步和性能的提高,相关标准的逐步完善,都利于其梯次利用。而动力电池梯次利用的经济性随着储能市场的发展及电池梯次利用规模化的应用,也逐渐显现。

北京理工大学能源与环境材料学科首席教授吴峰

2020年全球废旧锂电池预计高达250亿只

预计到2020年,全球废旧锂电池的数量约为250亿只。我国在这方面已经开始进行研究,通过柠檬酸处理进行动力学分析,开发出用抗坏血酸对废旧电池重金属离子的绿色浸提技术。

据了解,目前国内外对废旧锂离子电池的回收过程是:首先彻底放电,然后对电池进行拆解分离出正极、负极、电解液和隔膜等各组成部分,再对电极材料进行碱浸出、酸浸出、除杂后进行萃取以实现有价金属的富集。

中国电子科技集团第18研究所电池检测中心主任肖成伟

动力电池的投资力度处于增强阶段

电动汽车、电动自行车、储能都是动力电池现在和未来应用的市场。全球角度来看,动力电池的投资力度仍处于增强阶段。国内目前形成了比较集中的四大区域——珠三角、长三角、京津冀和中原。

目前整个产业资金投入超过了1000亿,2015年的产能超过400亿瓦时,2015年配套电池的瓦时数超过了160亿瓦时,产值超过了400亿人民币。

中国现在形成了一个完善的产业链,例如正极、负极、隔膜、电解液等,包括生产装备和梯次利用,也包括资源回收,都形成了比较完善的产业链。

合肥国轩高科动力能源公司工程研究院常务副院长杨续来

动力电池梯次利用技术有三大难点

2015年我国动力电池产量暴增,主要体现在几方面:动力电池企业扩产、消费类电池企业转型、传统铅酸电池企业转型、大财团新兴投资方向。

主机厂信赖国外电池产品,为何对国产动力电池信心不足?我认为主机厂与电池企业互相脱节,电池厂与主机厂应协同开发推进,中国应多多借鉴国际经验,实现国产化。

梯次利用的前提首先从全生命周期追溯。如果不解决电池使用过程中到底怎么使用的、使用状况是什么样的,梯次利用也无从谈起。

梯次利用技术难点一是探索最佳配组方案,标准模组直接梯次利用是最佳方案,单只问题电芯导致模组需要拆解并重新组合。难点二是集中式大型储能电站安全性。磷酸铁锂电芯的大规模储能梯次利用是可行的,退役的三元电芯的集中式储能方案不现实,适合直接资源化回收。难点三是BMS元器件老化,电子元器件的老化失效需要技术验证。

万向A123电芯研发总监郑利锋

实现铁锂电池回收,回收效率关键!

万向A123电池回收 进展与体会郑利峰我们主要探索并打通电池回收工艺路线,处理过程避免污染物质排放,回收有价值的物质,实现关键原材料资源的循环利用。

在回收工艺方面,我们实现了电池安全无污染的拆解,通过碱液中和去除电解液,对碱液也进行处理和再利用,同时也实现正负极、隔膜等所有材料的有效分离,对碱液实现全收集和净化处理。创新之处是碱液中和,无高温煅烧,无烟尘、尾气排放,实现100%分离,同时适用于LFP与三元电池回收处理。但同时也存在挑战,即设备自动化低和处理效率低。

从整个投入来看,回收处理1吨废旧电池的花费约在5575元,回收处理1吨废旧三元电池的收益为5900元。三元电池回收可实现预期经济效益,LFP电池回收,须通过提高回收处理效率以期实现经济效益平衡。

总而言之我们有一点感触,要实现铁锂电池回收,回收效率是一个关键。

「 话题② 现有锂电池技术及工艺 」

【背景】根据锂离子电池产品全生命流程,锂离子电池产业链共分为五个环节:上游材料、锂电池材料、锂电池电芯、锂电池模组和锂离子电池应用回收领域。锂电池目前的发展制约因素是什么?当下的技术研发热点又是什么?国家引导的研发方向是什么?这些问题在会上都得到了解答。

北京理工大学能源与环境材料学科首席教授吴峰

我国动力电池产业将面临新一轮的洗牌

动力电池的爆发性需求已延伸到正极、负极和隔膜、电解液等相关材料产业,以及上游锂矿资源。

在工信部提高准入门槛后,我国动力电池产业将面临新一轮的洗牌,从几千家企业优胜劣汰为上百家。

能量密度、安全性、寿命、成本仍然是动力电池产业发展的主要制约因素,有待材料、电池和工艺的创新。

中科院物理研究所研究员黄学杰

300瓦时/公斤不能成为电动汽车参考目标

300瓦时/公斤应该成为电池企业的奋斗目标,但是不要成为电动汽车的参考目标。

国家在几年前制定“先导计划”,比国家“十三五”电动汽车重点项目早两年多一点。目标是在2018年造出大于300瓦时/公斤的电池,这是作为电动汽车电池比较现实的目标,也是基于20年来的理解提出的。

此外,我们也要注意,从实验室到实现实际应用需非常长的时间,所以大家不要对石墨烯电池短期内应用抱太大的希望。

中国电子科技集团第18研究所电池检测中心主任肖成伟

高密度的三元材料目前是研发产业化热点

国家新能源汽车重点研发专项中提出,对动力电池的六个方面进行研发支持,分别是新材料新体系、高比能锂电池、高功率长寿命电池、动力电池系统、高比能二次电池以及测试评估。而在节能与新能源汽车国家规划里面也提到还重点支持电池模块。

在“中国制造2025”中明确了我国动力电池的能量密度目标是350瓦时/公斤,与之对应配套的新能源汽车的数量预计于2020年达到100万辆,到2025年达到300万辆。

通过国内外动力电池技术发展现状比较,从动力电池发展趋势来看,正极材料有层状结构、尖晶石结构和橄榄石型结构,其中高密度的三元材料现在是研发产业化的热点。而负极材料方面有碳材料、金属氧化物材料、合金材料等,其中在合金类材料里硅碳负极材料是研发的热点。

北大先行科技产业有限公司董事长高原

锂离子电池生产工艺的创新需政府加大支持

当前锂离子电池生产工艺需要革命性、跳跃性的创新,而这种创新具有很大的风险,企业可能难以承受。因此需要政府加大这部分的投入,减轻企业负担。

「 话题③ 锂资源开发前景展望 」

【背景】“力争到2020年把青海打造成全国有影响力的千亿元的锂电产业基地,实现从锂资源大省到锂产业强省的转变。”青海省省长郝鹏在活动中如上表态。据了解,青海是名副其实的锂资源大省,锂储量占全国80%以上。

比亚迪股份有限公司董事局主席兼总裁王传福也表示,电动汽车目前主流还是以锂电池驱动,在国家对新能源汽车政策的推动下,电动汽车发展很好,对于锂资源的需求变大,所以带动了锂电池、锂资源价格的上涨,而丰富的锂资源必然给青海能源变革带来新的机遇。

青海省锂产业技术创新战略联盟理事长段东平

借盐湖锂资源优势打造青海千亿锂电产业基地

现在新的问题是我国锂资源是否能够支撑整个产业的快速发展?

从资源情况来看,我国锂资源总储量是525万吨,其中盐湖锂资源储量在373万吨,矿石储量在152万吨左右。盐湖锂资源主要集中在青藏高原,即青海和西藏,青海占大约占54%,青海锂资源的禀赋非常好。所以我们以青藏高原作为资源战略基地来考虑一些全国性的战略思路。

国内锂资源开发目前共有五种成熟的解决方案:吸附法、焙烧法、沉淀法、电渗析法和萃取法。目前我们在建设规模和产能上比较有竞争力,但是在技术上还处于攻关阶段。

2015年全国锂资源的用量已达到20万吨,预计到2017年会更多,每年10%的增速在持续加快,预测2020年碳酸锂总需求会达到46万吨左右,但目前产量远远没有达到这个情况,这使得锂资源供不应求,导致锂产品价格大幅上涨。

我们有以下建议:以生态优先保护的理念来推动青藏高原在锂资源开发上的政策和产业发展;需开展在低含量、低品位盐湖锂矿中的高效分析;针对盐湖卤水提锂的工艺特点、杂质种类及含量,开展具有循环工艺特点的开发。

中国地质科学院矿产研究所副研究员侯献华

需求持续增长,锂价格未来还会继续上涨

从目前来看,全球锂资源及其开发主要集中在智利、阿根廷、澳大利亚和中国。2014年全球锂产量总计3.6万吨,锂消费量是3.3万吨。从我国锂供需现状来看,2014年我国锂产量5000吨,不到全球产量的1/6,而总消费量1.2万吨。

从世界消费结构看,锂电池占到了第二。在中国锂电池由于“十三五”规划地位上升。2015年下半年碳酸锂价格直线飙升。我国预计到2020年全国电动车产业需要碳酸锂10.3万吨。

随着中国制造2025、能源发展战略行动计划等战略的实施,节能与新能源汽车、新材料等战略性新兴产业加快发展,在未来一段时间锂原材料将呈现以下态势:需求持续增长、供应增加缓慢、生产成本上涨、锂盐湖价格继续上涨。

对我国锂资源开发利用有如下建议:①加快锂资源的调查评价;②重点加强盐湖型锂资源的开发利用研究;③东西部联手,打造我国的锂产业战略联盟;④加大锂矿区开发;⑥根据我国新能源电动汽车产业发展情况,加强电池、电动汽车质量,建立电池回收体系。