動力電池回收態(tài)勢分析與技術展望

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⑴和專利申請⑵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，中國陪續(xù)發(fā)布《生產者責任延伸

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。

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申崎年份

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

（spentLibattery）領域開展研究與探索，包括正極材料（cathode

material）和負極材料（anodematerial）回收再利用、浸出（leaching）

和溶劑萃取（solventextraction）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（lifecycleassessment）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（solidoxidefuelcell）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（Libattery）回收領域積累了豐富的經驗與成果,

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(lifecycleassessment)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，包括回收鉆(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)模

化和自動化⑶；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

⑷；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)硫酸鎰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⑸。

(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⑻。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⑺。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⑻。

(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r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⑼。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

[10]

的效果較好，正極物質回收率達到97.59%o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”，600℃、

30分鐘條件下進行浮選分離的磷酸鐵鋰回收率為95.17嫖⑵。

(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鉆和

石墨，回收率約為49.32%和73.56%⑶。干法回收包括高溫冶煉和還

原焙燒，將石墨和氧化鋰鉆電池的正極材料進行無氧焙燒，可分解成

鉆、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、

鉆和石墨的回收率分別達到約98.93%、95.72%.91.00%叫濕法回

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1⑸。

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