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第一波动力锂电池“退役”潮来临,每个电池都是“活的”?

2022-10-19 21:00:52 7486

摘要:不知不觉9年过去了,从2012年中国新能源汽车大规模上市,到如今大街小巷随处可见的电动汽车。截至2021年中国已经累计出售560多万辆电动汽车。然而,随着时间的推移,如今第一批电动汽车的锂电池也都临近报废年限。1月18日,工信部最新会议上透...

不知不觉9年过去了,从2012年中国新能源汽车大规模上市,到如今大街小巷随处可见的电动汽车。截至2021年中国已经累计出售560多万辆电动汽车。

然而,随着时间的推移,如今第一批电动汽车的锂电池也都临近报废年限。1月18日,工信部最新会议上透露,2022年中国第一波动力锂电池“退役”潮即将来临。

预计到2030年,中国需要进行回收处理的动力锂电池将达到150万吨。如果任其丢弃在自然环境中,无疑将带来新的环境灾难,但能够对这些电池加以回收并梯次利用则无疑又是一笔巨大财富。预计到2030年,中国动力电池回收行业总规模将达1000亿元以上。

尤其对于近几年备受追捧的“储能”产业而言,大量“退役”锂电池似乎可以大幅降低“电池储能”的成本,进而带来市场新机遇。一些专家甚至将废旧锂电池的“储能”利用,形容成新的“淘金之地”。

然而,真的是这样吗?废旧锂电池的“储能”利用前景究竟如何?目前只能说其中“水很深、浪很大”,绝没有人们想象的那么简单和美好。

首先,我们需要了解一下动力锂电池的特性和回收利用流程。

可以说,动力锂电池和我们平时生活中常用的电池有很大差别。锂电池其实是一种十分娇贵和不稳定的电池——其实每个锂电池都是“活的”。

天气太寒冷,锂电池会被冻坏,太热也会“受伤”,长期不用放电过度,锂电池会“饿死”,充电过快锂电池还会被“撑爆”。

用专业一点的表述就是,锂电池主要由正极、负极、隔膜和电解质四部分组成。正极按照电池种类,可以分为磷酸铁锂、钛酸铁锂、三元材料(铁、钴、镍三种元素的含锂化合物)组成。负极材料主要是石墨。中间的隔膜用来将正负极隔开。用来储存电能的Li+离子就藏身于正负极材料搭建的微型“空洞”(晶格空位)之中,当充电时,锂离子在电压的驱动下,从负极跑到正极,放电时再跑回来。

当正负极材料中能够提供的“空洞”(晶格空位)越多,能容纳的Li+也就越多,能量密度也就越高,但是同时带来的就是整个结构的脆弱。就像你家装修,拆除了开发商预留隔断墙,甚至是承重墙后,房间使用面积确实变大了,但是你也要担心塌楼的可能。

于是,随着汽车厂商对于电池能量密度的极致追求,目前的锂电池内部也就变得越来越精细、越来越脆弱。之前能量密度较低的磷酸铁锂、钛酸铁锂还好,但是当发展到三元材料时,由于添加了过多的钴、镍等元素,能够储存Li+的空间增多了,但同时也使得锂电池内部的结构更加脆弱。

过大的刺激会使十分娇嫩的锂电池内部结构受损,再也容纳不了更多的Li+离子,最终导致电量下降。想必开过电动自行车、电动汽车的人,对电池的续航里程衰减都深有体会。

更危险的是,在锂电池内部受损之后,无处栖身的Li+离子还会形成坚硬的化合物,在显微镜下,像冰锥一样沿着正极向隔膜生长,直至刺破隔膜,造成电池短路、急剧发热,最终引发爆炸和火灾。尤其在电池过充电或发生剧烈碰撞的时候,这种反应往往极为迅速,令人猝不及防。

近年来发生的锂电池爆炸、电动汽车自燃的多起惨烈事故就是这样发生的。目前中国各地都出台了禁止电动自行车进入居民楼、禁止在室内充电的规定,也是基于这个原因。

试想将数以万计的废旧锂电池放在一起做一个“储能”电站,这将是什么后果?

因此,为了避免锂电池回收利用,尤其是储能环节的安全隐患,目前三元锂电池已经基本退出了“储能”市场。而对于磷酸铁锂、钛酸锂等相对较为安全的锂电池种类回收利用也是慎之又慎,有些储能企业宁可用更高的价格购买新电池,也不愿意用回收的旧电池。

其中,除了安全顾虑之外,废旧锂电池回收利用成本一直居高不下也是主要原因之一。

由于动力锂电池与生俱来的脆弱性和不稳定性,目前锂电池还不能像大多数规模化生产的工业制品一样,形成品质稳定、一致的标准化生产。

每个批次、甚至每块锂电池其实都有自己鲜明的“个性”。目前锂电池的各个生产厂家也都没有能力达到每批甚至每块锂电池性能的完全一致。为此,在批量生产出一批锂电池后,厂家往往都要对每块锂电池进行性能测试、筛选和分级,尽可能将性能一致的锂电池分为一个级别,然后再按不同需求、不同价格,卖给下游企业。

这有点像果农,毕竟即使一个果树上的果子,在大小、颜色、甜度上也都不一样。果农必须先筛选、分级,然后再分级销售。锂电池其实也一样,只不过你从外观上根本就看不出来锂电池的质量差别。

对于购买新电池的“储能”项目,这种由电池性能、品质上的差异带来分选、分组成本可以由电池生产企业来支付。批量性的采购也可以尽量保证电池性能上的一致。

但是,这对利用废旧锂电池进行储能却往往带来难以承受的成本。尤其这些锂电池经历了长达几年、十几年的使用之后,既没有人知道拆卸下来的锂电池的“出身来历”,也没有知道这些电池都曾经经历过怎样的“悲惨磨难”。

收回企业必须在回收利用这些电池之前,艰难地把它们从一个个封装严密的电池组里面拆分开来。因为,汽车企业为了保障电池的安全往往采用了极为牢固的封装措施,以确保在时速高达几十公里的碰撞中电池至少不会破裂、爆炸。可想而知,这种保护强度给电池拆卸造成的难度。

这还不是电池回收中最大的困难。因为电池拆解之后,回收企业还要给每块锂电池做上一个充分的体检。

每块电池的材料种类、能量密度、电芯容量,实际测得的电阻、最高电压、放电电流,乃至整个充放电周期的充放电曲线都需要一一登记、测量。

由于回收锂电池的来源复杂、使用、存放时间较长,很多厂家标定的原始数据早已模糊不清,一切都需要重新验证,再加之电池种类、形状、尺寸也是千奇百异,这使得整个测量、筛选、分类过程往往需要工作人员手工完成。

可以说整个电池的拆解、分选过程中,工作人员都十分辛苦和危险。在目前人工成本急剧攀升的情况下,电池的回收梯次利用的成本不仅没有随着废旧电池的增多而下降,反而有所上升。

然而,在辛辛苦苦地完成了电池拆解、分选之后,这些电池最终是否能被有效利用,还要被打上一个问号。

因为组建储能电池组并不是一两块电池就可以完成的任务,往往需要几十块电池组成一个电池组,再将几百、上千的电池组组成一个更大的电池模块,最后形成整个电池储能矩阵。

为了确保安全和储能效率,初始能量密度相差过远的电池不能同时并联使用。不同材料、不同电阻的电池也不能一起使用。放电曲线特性相差过大的电池也不能放在一起使用。

每个锂电池仿佛都有生命和个性,强行将他们放在一起就会闹矛盾、不干活、甚至会带来安全隐患。

即使这些电池都是合格的,但是把这些参差不齐的上万块电池,最终编组成庞大的储能电池矩阵,其中的人工成本、控制电路成本、调试成本,以及更多电池等待编组所带来的资金周转和库存成本,都使得动力锂电池的回收梯次利用变得举步维艰,大规模的储能应用更是少之又少。

混乱的锂电池生产和回收模式下,动力锂电池的回收梯次利用的成本并没有随着规模的扩张而减小。这就和垃圾分类回收的道理一样,如果垃圾不在源头进行分类,即使规模再大也依然难以处理,更多的垃圾还是不得不一埋了之。

据高工产业研究院(GGII)调研显示,2018年中国动力电池回收总量为10.93万吨,而其中用于梯次利用的电池量仅为2460吨,不足回收总量的2.3%。

大量被回收的锂电池依然被拆解后,用于原材料、有色金属的提取。这也是目前锂电池回收“热潮”中真正前景可期的部分。而废旧锂电池回收后被广泛用于储能领域,目前还有待电池技术,以及整个产业链的完善。

目前,锂电池回收梯次利用主要还是集中在应急储能领域和低功率电动设备等附加值较高的领域。而期望即将出现的第一波锂电池“退役”潮,就可以触发大规模“储能市场”,尤其是新能源发电储能市场的爆发,目前可能为时尚早。

和铅酸蓄电池一样,下一步只有采取“谁的电池、谁回收、谁负责”的闭环模式,才能激励企业从生产源头就做好锂电池回收工作,做好电池回收再利用的相关设计。也只有这样才能大幅降低锂电池回收的成本、降低安全隐患,实现规模化的回收梯次利用。

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