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锂电回收工艺全公开
2022-11-22 [ 199]

  三元电池循环次数在 2500 次 左右时,电池容量衰减到 80%,此后其相对容量随着循环次数的增多呈现迅速衰减趋势,梯次利用价值极低,但其含有丰富的镍钴锰有价金属,通常直接拆解回收;而磷酸铁锂电池容量随循环次数的增多呈缓慢衰减趋势,有较高梯次利用价值。

  

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  资料来源:《中国动力电池回收利用产业商业模式研究》,华泰研究

  部分磷酸铁锂电池符合梯次利用要求,退役后将首先进入梯次利用场景,退役三元电池量占比将高于退役磷酸铁锂电池。随时间推移磷酸铁锂电池退役量将逐步增加,占比贡献提升。

  梯次利用

  新能源车上完整的锂电池包回收后既可以拆解成模组或电芯,形成小型电池用于低速电动车、太阳能路灯等产品,也可以将多个完整的电池包并在一起,为风、光电等场景储能。

  目前以PACK(多级串并联电池构成模组)+BMS(电池管理系统)为主的梯次利用技术是较为主流的选择。PACK工序分为加工、组装、包装三大部分,其核心是将多个单一的电芯通过机械结构串联和并联起来形成电池包。在具体操作过程中,需要考虑整个电池包的机械强度、系统匹配等问题,涉及热管理、电流控制与检测、模组拼装设计以及计算机虚拟开发等大量成熟技术相互交叉协作。BMS电池管理系统的主要功能是智能化管理及维护各个电池单元,防止电池出现过充电和过放电,并实时监控电池状态,从而起到保护电池使用寿命的作用。对于动力电池梯次利用而言,BMS决定了再利用电池的适用范围、寿命和整体价值。

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  从技术角度来看,由于动力电池一致性较差、寿命不一,BMS系统的数据将会和电池实际状况发生背离,从而使梯次利用过程面临安全、产品品质等方面的挑战。因为电池型号不一,配组时需要的电池量基数将很大,筛选、配组和加工成本相对较高,只有少数技术成熟的企业才能获取经济效益。

  再生利用

  拆解回收(再生利用)是将退役电池通过化学、物理、生物等手段进行进行拆解,以回收其中的 Ni、Co、Mn、Li、Cu 等金属元素及其他可收回材料。三元锂电池中含有的 Ni、 Co、Mn 等金属元素含量远高于原矿,以 NCM523 材料为例,三者化学计量分别为 30.4%、12.2%和 17.1%;磷酸铁锂电池中 1.1%的锂元素含量亦高于我国开发利用的品位仅为 0.8%~1.4%(Li2O)的原矿(对应到 Li 含量仅 0.4%~0.7%)。

  

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  再生利用工艺流程有三大技术,分别为物理法、火法和湿法。目前国内回收代表性企业格林美、邦普普遍以湿法工艺为主,并与火法工艺相结合。

  物理法

  将废旧动力电池内部成分,如电极活性物质、集流体和电池外壳等组分经过破碎、过筛、磁选分离、精细粉碎和分类等一系列手段,得到有价值产物,然后再进行下一步回收。优点是操作简单,但不能完全对锂电池进行组分分离,并在物理操作过程中,难以对电池中的金属材料进行有效回收。

  

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  火法

  首先需要对电池进行自动放电和分类,通过振动筛选和磁选分离金属外壳和电极材料部分,将经过物理破碎的电极材料部分放入干电弧炉内高温焙烧,将有机粘合剂、电解液和含碳有机物去除,从而分离锂电池的组成材料。炭和有机物将被高温燃烧掉,燃烧时会产生还原气体,对电极内金属元素具有保护作用,最终经筛选得到含有金属和金属氧化物的细粉状材料。优点在于操作工艺简单,在高温条件下反应迅速,效率比较高,能够除去残留的粘合剂, 适应于处理大量或者结构较为复杂的电池;但缺点在于能耗大,在处理过程中容易产生有 害气体,污染物处理成本高。国外锂电池回收技术以火法为主。

  

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  湿法

  我国大部分企业采用,并且通常要结合火法。具体工艺为:

  预处理,这个过程中涉及到火法;

  浸出:将电极材料溶于酸碱溶液中,萃取出部分有价值金属元素,可直接酸浸或者酸碱两步浸出;

  提取:将浸出的各种有价金属分离,分别回收。常用的有萃取法、沉淀法或电沉积等手段提取出剩余有价值金属。

  湿法回收由于回收率高、产品纯度较高、能耗较低从而成为主流技术,但其工艺流程较长, 且处理过程中需要加入盐酸等腐蚀性溶液,污染治理成本较高。

  

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  工艺选择

  企业在回收过程中三种方法都有涉及, 但主要的差异点在于核心工艺:物理法核心工艺为粉碎筛选后进行材料修复,是比较纯粹的物理过程;火法核心工艺是高温热解,从而得到金属氧化物;湿法核心工艺是对电极粉加入化学试剂浸出和提取,从而提取金属。

  

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  钴镍共线

  湿法工艺中镍钴共用一条产线,507萃取后先后提出镍盐、钴盐,正因为钴镍共线镍钴加工费不同公司具有不同的分摊标准,在材料计价中体现为钴镍同系数。

  产线切换

  回收料冶炼厂同中间品冶炼厂,只是原料差异、工艺相同。因此在回收利润较大时,部分中间品冶炼厂向回收市场布局,同理近期回收市场利润持续挤压,部分回收冶炼厂将原料切换为矿料中间品。


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