我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)的跨越式增長,促進了動力電池技術(shù)高速發(fā)展,隨之而來的動力電池退役問題,引發(fā)各方關(guān)注。8月1日,《新能源汽車動力蓄電池回收利用溯源管理暫行規(guī)定》(簡稱《回收溯源規(guī)定》)將正式實施,強調(diào)落實生產(chǎn)者責任延伸制度,要求汽車生產(chǎn)企業(yè)承擔動力蓄電池回收的主體責任。這一規(guī)定為避免來資源浪費和環(huán)境污染帶來福音。

中國工程院院士、北京理工大學綠色能源研究所所長吳鋒在接受記者采訪時表示,發(fā)展鋰電產(chǎn)業(yè),需要同時做好先進電池技術(shù)研發(fā)與鋰資源高效利用。對于動力電池回收,應(yīng)盡量采用綠色回收技術(shù),避免對環(huán)境造成二次污染。

前沿突破需多方共進

早在2000年我國電動汽車項目啟動之初,時任科技部部長徐冠華曾指出,電動汽車的關(guān)鍵是電池。目前鋰電池已成為各方關(guān)注的熱點。在吳鋒看來,鋰離子電池由于具有比能量大、循環(huán)壽命長、安全性能好、可快速充放電等優(yōu)點,使得相關(guān)技術(shù)及關(guān)鍵材料,成為當前國際競相研發(fā)的熱點,并成為新一代信息通訊(5G)、電動汽車、儲能電站與國防安全等重大應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。最近有報道稱,美國宇航局(NASA)正在研發(fā)的X-57純電動飛機項目已經(jīng)進行3年時間,即將實現(xiàn)首航,實現(xiàn)空中零排放,以后的商用化更需要電池技術(shù)的突破發(fā)展。

我國新能源汽車補貼已呈現(xiàn)去補貼化的態(tài)勢。今年財政部、工信部、科技部、發(fā)展改革委聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于調(diào)整完善新能源汽車推廣應(yīng)用財政補貼政策的通知》,純電動乘用車的補貼開始退坡,并進一步提高了對動力電池能量密度的要求。吳鋒認為,動力電池和新能源汽車的發(fā)展必須要力爭滿足市場的發(fā)展需求。國家此舉意在鼓勵高能量密度電池的發(fā)展,以實現(xiàn)新能源汽車更長的續(xù)航里程,滿足市場的進一步需求。2020年補貼即將取消,當務(wù)之急是想辦法讓電池和新能源汽車更好地適應(yīng)市場的發(fā)展和需求。

自“十三五”以來,動力電池能量密度指標的發(fā)展趨勢越來越高。2015年動力鋰離子電池能量密度指標為電芯120~180 瓦時/公斤,材料體系主要是磷酸鐵鋰—石墨、三元材料—石墨。從近期來看,2020年新一代動力鋰離子電池能量密度指標是:富鋰材料-硅碳負極體系電芯為300 瓦時/公斤。從中遠期來看,中期(2025年)要實現(xiàn)400瓦時/公斤,遠期(2030年)要實現(xiàn)500瓦時/公斤。近年來,電池關(guān)鍵材料和技術(shù)進步顯著,但仍有提升的空間。這里指的是綜合性能的提升空間,包括電池的安全性、能量密度、功率密度、壽命、成本等。只有電池綜合性能提升了,才能更好地滿足新能源汽車市場的發(fā)展。

從技術(shù)角度來看,鋰離子電池單純的要做高比能量應(yīng)該可以做到,但要做到高指標的產(chǎn)業(yè)化就很難,因為要考慮各種條件的約束。吳鋒認為,采用三元正極材料和硅碳負極材料,可制備出能量密度319瓦時/公斤的高比能鋰離子電池。但動力鋰離子電池能量密度的提高,除與正負極材料相關(guān)外,對所采用電解液的要求也越來越高,鋰離子電池的危險性其中一個來源在于電解液。

為此,在看清動力電池重要性的同時,也要斟酌一些產(chǎn)業(yè)化指標的實現(xiàn)途徑。尤其是作為關(guān)鍵指標的電池能量密度,如何在提升比能量的同時兼顧安全性、循環(huán)性、倍率等指標,這需要企業(yè)在進行技術(shù)創(chuàng)新和研發(fā)過程中有所側(cè)重。

實際上,目前高比能量電池研究是行業(yè)最前沿技術(shù)。吳鋒正在主持的國家973鋰離子電池研究項目,從2002年開始到現(xiàn)在已經(jīng)歷三期。該項目主要研究思路是,從“輕元素、多電子反應(yīng)”材料入手,結(jié)合多離子效應(yīng),發(fā)展高活性電極材料,構(gòu)建高比能二次電池新體系。

回收環(huán)節(jié)需要綠色技術(shù)

目前二次電池產(chǎn)量急劇上升,已滲透到國民經(jīng)濟和人民生活的各個領(lǐng)域,電池對社會產(chǎn)生了巨大的環(huán)境和資源壓力。研究顯示,1個20克的手機電池可污染3個標準游泳池容積的水;若廢棄在土地上,可使1平方公里土地污染50年左右。在吳鋒看來,如果是幾噸重的電動汽車動力電池廢棄在自然環(huán)境中,大量重金屬及化學物質(zhì)進入大自然,將會對環(huán)境造成很大的污染。正是因為存在大量潛在的污染隱患,動力電池行業(yè)必須要加快完善回收處理機制的腳步。

動力電池回收工作越來越得到重視。在全球范圍,吳鋒的預(yù)測是,到2020年全球廢舊鋰電池的數(shù)量約為250億只。對環(huán)境的負面影響將日趨嚴重,鋰資源也將日漸匱乏,動力電池回收已經(jīng)迫在眉睫。在這樣的背景下,《回收溯源規(guī)定》8月1日即將落地可謂應(yīng)運而生。

動力鋰離子電池的一般使用壽命約20年,但一般容量衰減至80%以下就會退役,使用時間約為3~8年。作為全球最大的新能源汽車市場,在研發(fā)廢舊鋰電池回收技術(shù)上,吳鋒認為應(yīng)該集合全產(chǎn)業(yè)之力,實現(xiàn)重點環(huán)節(jié)逐個突破。動力電池回收牽扯到環(huán)境問題也牽扯到成本問題。畢竟,鋰資源和鈷資源都是不可再生資源,因此廢舊電池材料回收和資源化再生具有重要的經(jīng)濟和社會效益。以日本為例,其通過廢舊金屬回收,每年回收的金的產(chǎn)量超過世界最富產(chǎn)的南非,銀的產(chǎn)量超過世界最富產(chǎn)的波蘭。

在回收技術(shù)方面,目前國內(nèi)外使用較多的是強酸的工藝技術(shù),難以避免了強酸回收處理中的二次污染。吳鋒團隊采用了環(huán)境消耗天然有機酸的回收技術(shù),和國外目前采用的強酸、硫酸、硝酸相比,處理過程是綠色的,在萃取率和萃取時間方面都優(yōu)于強酸的水平,實現(xiàn)了廢舊鋰離子電池的綠色高效回收。

對于正極材料,原來是采用天然有機酸(檸檬酸、蘋果酸、抗壞血酸等)對廢舊電池中的金屬離子進行回收處理,鋰離子和鈷離子萃取率均在90%以上。最近采用的天然琥珀酸,萃取率由原來的94%提高到99%,萃取出來的電池材料也達到了要求,可以制備出合格的正極材料。

對于負極材料,原來大家的思路是覺得回收碳負極不劃算,北理工團隊的思路是通過廢舊鋰電池負極回收,研究如何制備碳吸附劑,用于高磷的污水處理。目前磷吸附量高達588μg/g,是目前最高的碳類吸附劑之一,且處理污水后的吸附劑還可以直接作為土壤緩釋肥使用。

在吳鋒看來,新型綠色二次電池的發(fā)展,起源于二次電池固體電解質(zhì)材料和鎳氫電池儲氫材料的研究,依賴于關(guān)鍵材料技術(shù)的創(chuàng)新和進步。其帶領(lǐng)的團隊由北京理工大學、武漢大學、清華大學等多家單位的專家組成,從2002年至今已經(jīng)合作16年之久。多年來的一個經(jīng)驗感悟就是:創(chuàng)新不是炒作,不能急功近利,否則就會曇花一現(xiàn);產(chǎn)業(yè)發(fā)展取決于市場,不能揠苗助長,否則就會是過眼云煙。