【锂产业国际高峰论坛】李荐:动力电池回收必要性及主流工艺

发布时间:2020-10-20


中南大学教授 李荐

非常荣幸有这样的机会与大家进行这样的交流,把我们在这方面,特别是动力电池回收方面这几年的经验与大家进行汇报。

据中汽研的数据,电动汽车电池的报废量2020年就有32万吨,行业里面大家认为2018年就会有10几万吨,可能行业数据跟官方数据稍微有点不同,但总的来说电池回收这个事情是非常紧迫的。

这里我总结了一下动力电池回收的几点必要性:

首先,有安全问题,大家都非常理解,有高压直流电,有燃烧爆炸的风险。

第二,有污染问题。虽然锂离子动力电池跟铅酸电池相比没有铅的污染,同样也有磷、钴、镍等等,可以说污染形势比铅酸电池复杂得多,对搞冶金的人来说可能铅酸电池的回收工艺更加容易和简单,但是对锂离子电池来说就非常不容易。国家对排放的废水、废气指标有要求,还有磷。重金属的钴和镍国家标准是0.5毫克/升,也是三元大量的钴、镍,都是会污染的,所以必须要回收。

另外,还有资源问题,上午也有专家讲到了,我们国家其实钴资源是很匮乏的,国家95%的钴是进口的,应该引起非常重要的重视,都说石油70%的依存度这么紧张,95%是不是应该更紧张?锂也是这样,锂相对比钴好一些,但是目前我们国家70%的锂是进口的,也是很大的比例。

根据2016年的数据,已经有50几万辆的电动汽车,离国家的政策,到2020年要达到10%左右的量差4倍左右,如果用量翻4倍上去,我们钴、锂如何翻4倍,这都是重要的问题,这些都是回收的必要性。

行业里大家很关心三元材料跟磷酸铁锂,综合性能、资源和知识产权等几个方面来看,我们认为可能在较长的一段时间里头至少5年以上三元和磷酸铁锂应该是共存的关系。

动力电池其实也是一个很不错的资源。目前动力电池回收领域国内、国外有几个主流的回收工艺。美国的一家公司,Toxco公司,它很重要的特点是有低温冷冻。低温冷冻能保证电池在安全环保的情况下被粉碎,这是它的优势,但是它有能耗比较高的缺点。另外,粉碎以后还是要回到室温去走湿法冶金的这样一个工艺。

美国另一家公司Inmetco采用的是活法冶金,其很重要的特点是处理能力强,什么电池都可以放进去,效率很高。但是它的问题在于,不能直接得到能够销售的有价值的产品,还要后面进行处理。这个有机材料,包括我们的电解液、隔膜、碳材料负极这些,都会被以二氧化碳的形式释放到环境里面,就是碳排放是巨大的。

国内是偏湿法冶金的,主要以格林美、邦普比较成型的大企业主体的工艺。这个工艺的特点,特别是对三元材料,能够会收到非常好的钴和镍这样的终端产品,产品的性能指标能够达到跟原矿冶炼相同的甚至更高的水平,这是它的一个优势。但是湿法冶金要用酸和碱,环境污染的治理成本还是比较高的。另外,这个工艺如果处理磷酸铁锂,成本压力会比较大,因为磷酸铁锂里面没有钴、没有镍,值钱的可能就那点锂,但是又比较少,且很难算过来这个经济账,这是比较大的一个问题。

还有电解液的回收,咱们国家到目前为止基本上产业化的电解液是没有回收的,要么烧掉了,要么进到水体里头处理了,这里面有几个科研方面的方法,真空热解、有机溶剂萃取、超临界水萃取,我们采用减压蒸馏的方法。

下面重点来介绍一下我们这几年做的工艺,这里头跟已有的工艺不太相同的地方,我们多了一个非电解液的回收和隔膜的回收,同时,对于回收的正极材料和负极材料有一套比较完整的修复工艺,就是能把这个材料不经过冶金分解,直接把它修复成咱们电池上能够再次用的正极材料和负极材料,这是我们工艺的一个最大的特点。湿法冶金是把有用的东西分门别类的提出来,我们称为“分”,而这个材料修复是“合”,就是直接把它合成有用的电池材料,有点跟材料厂家的相似。我们在中南大学做了一个中试线,欢迎大家去参观、考察。

在我们的研究过程中也遇到了很多的问题,也有很多专家跟我们交流的时候提到,说这个材料修复里头既然是物理法,不可避免的会有一些杂质成份带入到你这个最终的产品里头,比如说铝、比如说氟,比如说多余的锂或者是铜这样的东西,在你的材料里边会不会带来不利的影响?所以我们在这方面做了一些研究。

首先,我们有意的在买来的磷酸铁锂材料里边加入铝粉,模仿回收的材料里头如果有一定的铝会怎么办,会不会造成对材料比较严重的影响。通过我们这样的研究我们做了它的各种曲线,电性能以及充放电、还有倍率,各种性能的比较。

最终的结论是这样的,对于铝来说,当这个含量不高于0.5的时候,基本上对电池性能没有什么影响,同时我们也对这个循环性能做了比较,甚至1%的范围内铝都没有明显的影响。

还有自放电,刚刚这个是自放电的影响,也是1的范围内没有影响。

同时我们也做了氟,因为氟也会有一定的残留,以及像铜,在负极会有残留,它对材料有没有影响,这些结论我们发现它在所研究的范围之内都没有对电池的性能有明显的影响,当然量太大了会直接影响它的一个克容量。

我们中试过程中得到的一些材料,铝粉、铜粉、磷酸铁锂粉、石墨粉、电解液这样的一些材料。对修复的磷酸铁锂材料,我们也做了大量的电磁实验,都是跟买来的材料进行对比,通过力度和扫描电镜能很明确的看得出来可以说跟买来的是差不多的,同时我们修复过程中,如果控制条件的话也可以修成挺漂亮的球形。

这是用X染色来表征修复的材料跟买来的也是没有区别的,把它做充放电,还有低温以及循环、倍率,这些都表明修复的材料能够非常接近于直接买来的材料。

总的来说,我们这种修复的工艺是以物理法为主,没有污染,并且流程也比较短,也没有废水、废气这样的排放,并且隔膜和电解液全组分都能够回收。同时,虽然我说的是磷酸铁锂的事,但是同样用来处理三元电池、修复三元材料,也可以达到同样的效果。它的经济性比较好,因为不需要这么多的环保成本,流程也比较短。

这是一些知识产权方面,我们初步的根据中试测算的经济效益也是非常不错的,目前我们在天津正在建设这样的工厂。

我的演讲就到这里。谢谢大家!

(本文根据速记整理,未经嘉宾审核)

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