中國儲能網(wǎng)訊：隨著新能源汽車存量增加和動力電池“退役潮”的來臨，動力電池回收作為解決環(huán)保問題、補充上游資源的重要手段，其行業(yè)地位和發(fā)展前景逐步提升。本文以動力電池回收領域近30多年來的研究論文[1]和專利申請[2]為基礎，利用文獻數(shù)量、專利數(shù)據(jù)進行態(tài)勢分析，結合近十多年來的顯著進展，系統(tǒng)梳理回收過程中亟待解決的問題，以期為我國動力電池回收領域相關動向提供參考。
一、動力電池文獻研究和專利申請呈現(xiàn)快速增長趨勢
文獻研究方面，1991—2007年，動力電池回收相關文獻數(shù)量較低，整體數(shù)量增長緩慢；2008—2014年，隨著歐盟修訂版《電池指令》強制推進退役動力電池的回收利用工作等政策影響，電池回收文獻數(shù)量逐漸增長；2015—2020年，中國陸續(xù)發(fā)布《生產(chǎn)者責任延伸制度推行方案》《新能源汽車廢舊電池動力蓄電池綜合利用行業(yè)規(guī)范條件》《新能源汽車動力蓄電池梯次利用管理辦法》等，激勵科研機構和企業(yè)研究制定可操作的廢舊動力蓄電池回收處理、再利用方案的積極性，這一時間段，文獻數(shù)量增長迅速；2020年以后，各國迎來電池退役潮，全球動力電池市場競爭愈發(fā)激烈的背景下，回收領域文獻數(shù)量增速進一步提升。
圖1 動力電池回收領域文獻發(fā)表數(shù)量年度變化
專利申請方面，1990s的專利申請數(shù)量穩(wěn)定在200多件，2007年以前的專利申請數(shù)量較少且增長緩慢；2008—2015年，申請數(shù)量開始有所增長，但增速仍然較緩；2015年以后，受政策驅動和企業(yè)布局等影響，科研機構、高校以及企業(yè)等積極開展電動汽車動力電池回收利用工作，以期建立上中下游聯(lián)動的動力電池回收利用體系，促使專利申請數(shù)量大幅提升?？傮w來看，動力電池回收專利申請趨勢雖有波動，但整體上呈現(xiàn)上升態(tài)勢。隨著2020年后各國積極部署交通運輸部門脫碳，汽車電氣化占比越來越高，動力電池回收技術的研究將逐步走向成熟，放電預處理、拆解、浸出、金屬分離提取、前驅體合成等技術開始廣泛應用，電池回收技術研發(fā)體系日漸完善。
圖2 動力電池回收領域專利技術申請年度變化
二、中國研究機構和主要企業(yè)積極參與動力電池回收研究
從文獻數(shù)量來看，中國（43.04%）、美國（13.76%）的發(fā)文量位居全球第一、第二。德國、韓國、印度、英國、日本和澳大利亞的論文數(shù)量均超過200篇。其中，被引頻次方面，中國位列第一（76773），其次為美國（43609）、英國（17556）；篇均被引頻次方面，則是法國位列第一（90），其次為英國（65.26）、美國（55.91），中國相對較低（31.48）。從機構發(fā)文量來看，中國科學院（265）、中南大學（231）、北京理工大學（188）的發(fā)文量位居全球前三，中國科學院過程工程研究所（45）、長春應用化學研究所（14）、生態(tài)環(huán)境研究中心（13）的發(fā)文量、被引頻次、篇均被引頻次較高。
從專利申請來看，中國（48.3%）、日本（16.24%）、美國（8.84%）、韓國（6.65%）和德國（3.52%）的專利申請數(shù)量居于全球前五，專利數(shù)量約占總量的83.56%，其余國家的專利數(shù)量較低。住友商事株式會社（922）、邦普循環(huán)科技有限公司（905）、豐田汽車公司（455）、中國科學院（381）和吉坤日礦日石金屬株式會社（363）的專利申請數(shù)量居于全球前五企業(yè)/機構。邦普循環(huán)科技有限公司（905）、中南大學（267）、格林美股份有限公司（166）、中國科學院過程工程研究所（164）和合肥國軒有限公司（155）等國內(nèi)企業(yè)/機構處于行業(yè)領先地位。
三、各國研究主題和研發(fā)技術存在顯著差異
中國電池回收以鋰電池的濕法回收為主，主要在廢舊鋰電池（spent Li battery）領域開展研究與探索，包括正極材料（cathode material）和負極材料（anode material）回收再利用、浸出（leaching）和溶劑萃?。╯olvent extraction）工藝升級改造、電池拆解分離（separation）等主題，技術研發(fā)主要集中在負極片、磷酸鐵鋰和回收方法方面。
美國注重電池的生命周期評估（life cycle assessment）和可持續(xù)性（sustainability），最早開始布局低污染、高效能的固體氧化物燃料電池（solid oxide fuel cell）研發(fā)，目前基本實現(xiàn)商業(yè)化，早期的固體氧化物燃料電池也已進入退役階段，促進相關回收技術不斷發(fā)展。
德國在鋰電池（Li battery）回收領域積累了豐富的經(jīng)驗與成果，從鋰電池中回收鋰（lithium）等關鍵材料的技術較為成熟，同時嚴格要求電池制造商在整個生命周期（life cycle assessment）考慮可回收性，確保電池的合規(guī)回收和處理。
除上述3個國家外，其余國家，如韓國、印度、英國等也在電池回收方面積極布局，包括回收鈷（cobalt）等關鍵金屬原材料、升級浸出（leaching）工藝等。
四、動力電池回收研究進展
近10多年來動力電池回收領域在放電處理、拆解粉碎、分離提取和回收方法改進等方面進展顯著：
（1）放電處理。廢舊動力電池通常有物理放電和化學放電兩種放電預處理方式，多項研究指出相比于物理放電，化學放電效率更高、安全性更強，如研究利用石墨粉和銅粉的放電實驗發(fā)現(xiàn)物理放電雖然可以迅速釋放電量，但會釋放大量熱能，安全性不高，難以實現(xiàn)規(guī)?；妥詣踊痆3]；通過分析物理及化學手段對電池放電的影響，發(fā)現(xiàn)化學放電更適宜使用，氯化鈉和硫酸鐵混合溶液可以大幅縮短放電時間[4]；而針對化學放電過程中的有機電解質泄露問題，上海交通大學團隊發(fā)現(xiàn)硫酸錳溶液可以作為電池放電介質，其在放電過程中形成的隔離膜能避免電偶腐蝕和有機電解質泄露[5]。
（2）拆解粉碎。拆解方式分為人工拆解和機器拆解。由于拆解過程有爆炸和燃燒等風險，機器拆解逐漸推行。不過機器拆解雖然可以消除危險，但由于電池系統(tǒng)的復雜性和其他潛在問題，僅靠機器拆解仍有一定局限性[6]。當前使用最多的方法是人機結合拆解，如有研究設計出動力電池拆解裝置的系統(tǒng)布局圖，送倉-環(huán)切-切斷-取芯等過程由機械手操作[7]。更加精細的拆解工藝采用X射線測量的方式，先確定層壓匯流條在電池中的位置，然后調(diào)節(jié)切割刀片的相對位置，使刀片能夠沿著層壓匯流條精準切割[8]。
（3）分離提取。分離方法包括機械分離、溶劑萃取、加熱處理。研究表明，機械分離雖然操作簡單，成本較低，但為了分離電極極粉，需要將集流體破碎至極細粒度，容易使得大量極細銅/鋁粉末進入到極粉中造成物料二次污染，加大后續(xù)鋰的提取難度[9]。溶劑萃取分離極粉的效果較好，但操作復雜且有機試劑具有毒性，其中，毒性較小、價格適中的N-二甲基乙酰胺作為有機試劑分離正極活性材料與鋁箔的效果較好，正極物質回收率達到97.59%[10]。加熱處理可以除氟且分離效果較好，不足之處在于能耗較高，且聚偏二氟乙烯加熱分解中會釋放出有毒的氫氟酸，這就需要進一步處理釋放的尾氣[11]，600 ℃、30分鐘條件下進行浮選分離的磷酸鐵鋰回收率為95.17%[12]。
（4）方法改進。常用的回收方法主要有物理回收、干法回收、濕法回收等。物理回收能耗較低、效率較高、靈活性強，主要包括破碎浮選和機械研磨等技術，研磨和浮選相結合可用于回收氧化鋰鈷和石墨，回收率約為49.32%和73.56%[13]。干法回收包括高溫冶煉和還原焙燒，將石墨和氧化鋰鈷電池的正極材料進行無氧焙燒，可分解成鈷、碳酸鋰和石墨混合物，再通過濕法磁選進一步分離，可以使得鋰、鈷和石墨的回收率分別達到約98.93%、95.72%、91.00%[14]。濕法回收是目前最常用的回收方法，其中，在95 ℃環(huán)境下利用飽和碳酸鈉與鋰離子反應回收生成碳酸鋰的鋰回收方式工藝簡單、過程環(huán)保，具有較大的應用潛力[15]。
五、動力電池回收未來展望
通過梳理近5年來的高被引動力電池回收領域文獻，發(fā)現(xiàn)電池放電處理、拆解粉碎、分離提取和回收方法方面均存在亟待解決的問題。
放電處理環(huán)節(jié)中電池剩余壽命預測方法存在一定不足，電池剩余壽命檢測易受建模方法、結果可用性等干擾，放電處理工藝的改進既需要考慮加快放電速率，也要考慮環(huán)境保護和健康保障；拆解粉碎環(huán)節(jié)距離智能化、數(shù)字化仍有一定差距，拆解過程的復雜程度和安全問題受到電池設計、成組方式、使用工況等影響；安全、綠色、低成本的分離提取技術缺乏，電極材料、電解液、隔膜等高附加值的中間品難度較大、分選困難，容易造成貴重金屬的浪費；主流回收方法存在無法全部回收有價金屬、容易造成環(huán)境污染、成本高等問題。
未來動力電池回收對于我國實現(xiàn)雙碳目標，促進經(jīng)濟綠色可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。我國應該加強廢舊動力電池回收處理技術的研發(fā)與革新，突破余能檢測、殘值評估、重組利用等環(huán)節(jié)的關鍵科學和技術問題，包括：電池放電檢測和壽命預測、電池放電快速檢測手段、電池全壽命狀態(tài)估算研究、電池回收及再生利用過程中的組件自動化/智能拆解及重復利用、鋰和鈷等金屬的選擇性回收、處理過程的碳足跡追溯等。
