我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的跨越式增長(zhǎng),促進(jìn)了動(dòng)力電池技術(shù)高速發(fā)展,隨之而來(lái)的動(dòng)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(dòng)力蓄電池回收利用溯源管理暫行規(guī)定》(簡(jiǎn)稱《回收溯源規(guī)定》)將正式實(shí)施,強(qiáng)調(diào)落實(shí)生產(chǎn)者責(zé)任延伸制度,要求汽車生產(chǎn)企業(yè)承擔(dān)動(dòng)力蓄電池回收的主體責(zé)任。這一規(guī)定為避免來(lái)資源浪費(fèi)和環(huán)境污染帶來(lái)福音。

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

前沿突破需多方共進(jìn)

早在2000年我國(guó)電動(dòng)汽車項(xiàng)目啟動(dòng)之初,時(shí)任科技部部長(zhǎng)徐冠華曾指出,電動(dòng)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(diǎn)。在吳鋒看來(lái),鋰離子電池由于具有比能量大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全性能好、可快速充放電等優(yōu)點(diǎn),使得相關(guān)技術(shù)及關(guān)鍵材料,成為當(dāng)前國(guó)際競(jìng)相研發(fā)的熱點(diǎn),并成為新一代信息通訊(5G)、電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能電站與國(guó)防安全等重大應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。最近有報(bào)道稱,美國(guó)宇航局(NASA)正在研發(fā)的X-57純電動(dòng)飛機(jī)項(xiàng)目已經(jīng)進(jìn)行3年時(shí)間,即將實(shí)現(xiàn)首航,實(shí)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(guó)新能源汽車補(bǔ)貼已呈現(xiàn)去補(bǔ)貼化的態(tài)勢(shì)。今年財(cái)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(cái)政補(bǔ)貼政策的通知》,純電動(dòng)乘用車的補(bǔ)貼開始退坡,并進(jìn)一步提高了對(duì)動(dòng)力電池能量密度的要求。吳鋒認(rèn)為,動(dòng)力電池和新能源汽車的發(fā)展必須要力爭(zhēng)滿足市場(chǎng)的發(fā)展需求。國(guó)家此舉意在鼓勵(lì)高能量密度電池的發(fā)展,以實(shí)現(xiàn)新能源汽車更長(zhǎng)的續(xù)航里程,滿足市場(chǎng)的進(jìn)一步需求。2020年補(bǔ)貼即將取消,當(dāng)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(chǎng)的發(fā)展和需求。

自“十三五”以來(lái),動(dòng)力電池能量密度指標(biāo)的發(fā)展趨勢(shì)越來(lái)越高。2015年動(dòng)力鋰離子電池能量密度指標(biāo)為電芯120~180 瓦時(shí)/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(lái)看,2020年新一代動(dòng)力鋰離子電池能量密度指標(biāo)是:富鋰材料-硅碳負(fù)極體系電芯為300 瓦時(shí)/公斤。從中遠(yuǎn)期來(lái)看,中期(2025年)要實(shí)現(xiàn)400瓦時(shí)/公斤,遠(yuǎn)期(2030年)要實(shí)現(xiàn)500瓦時(shí)/公斤。近年來(lái),電池關(guān)鍵材料和技術(shù)進(jìn)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(chǎng)的發(fā)展。

從技術(shù)角度來(lái)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(biāo)的產(chǎn)業(yè)化就很難,因?yàn)橐紤]各種條件的約束。吳鋒認(rèn)為,采用三元正極材料和硅碳負(fù)極材料,可制備出能量密度319瓦時(shí)/公斤的高比能鋰離子電池。但動(dòng)力鋰離子電池能量密度的提高,除與正負(fù)極材料相關(guān)外,對(duì)所采用電解液的要求也越來(lái)越高,鋰離子電池的危險(xiǎn)性其中一個(gè)來(lái)源在于電解液。

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

實(shí)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(guó)家973鋰離子電池研究項(xiàng)目,從2002年開始到現(xiàn)在已經(jīng)歷三期。該項(xiàng)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(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生活的各個(gè)領(lǐng)域,電池對(duì)社會(huì)產(chǎn)生了巨大的環(huán)境和資源壓力。研究顯示,1個(gè)20克的手機(jī)電池可污染3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(lái),如果是幾噸重的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池廢棄在自然環(huán)境中,大量重金屬及化學(xué)物質(zhì)進(jìn)入大自然,將會(huì)對(duì)環(huán)境造成很大的污染。正是因?yàn)榇嬖诖罅繚撛诘奈廴倦[患,動(dòng)力電池行業(yè)必須要加快完善回收處理機(jī)制的腳步。

動(dòng)力電池回收工作越來(lái)越得到重視。在全球范圍,吳鋒的預(yù)測(cè)是,到2020年全球廢舊鋰電池的數(shù)量約為250億只。對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響將日趨嚴(yán)重,鋰資源也將日漸匱乏,動(dòng)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(yùn)而生。

動(dòng)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(huì)退役,使用時(shí)間約為3~8年。作為全球最大的新能源汽車市場(chǎng),在研發(fā)廢舊鋰電池回收技術(shù)上,吳鋒認(rèn)為應(yīng)該集合全產(chǎn)業(yè)之力,實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)環(huán)節(jié)逐個(gè)突破。動(dòng)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(jì)和社會(huì)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(guó)內(nèi)外使用較多的是強(qiáng)酸的工藝技術(shù),難以避免了強(qiáng)酸回收處理中的二次污染。吳鋒團(tuán)隊(duì)采用了環(huán)境消耗天然有機(jī)酸的回收技術(shù),和國(guó)外目前采用的強(qiáng)酸、硫酸、硝酸相比,處理過程是綠色的,在萃取率和萃取時(shí)間方面都優(yōu)于強(qiáng)酸的水平,實(shí)現(xiàn)了廢舊鋰離子電池的綠色高效回收。

對(duì)于正極材料,原來(lái)是采用天然有機(jī)酸(檸檬酸、蘋果酸、抗壞血酸等)對(duì)廢舊電池中的金屬離子進(jìn)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(lái)的94%提高到99%,萃取出來(lái)的電池材料也達(dá)到了要求,可以制備出合格的正極材料。

對(duì)于負(fù)極材料,原來(lái)大家的思路是覺得回收碳負(fù)極不劃算,北理工團(tuán)隊(duì)的思路是通過廢舊鋰電池負(fù)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(dá)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(lái),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(chǔ)氫材料的研究,依賴于關(guān)鍵材料技術(shù)的創(chuàng)新和進(jìn)步。其帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)由北京理工大學(xué)、武漢大學(xué)、清華大學(xué)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(lái)的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)感悟就是:創(chuàng)新不是炒作,不能急功近利,否則就會(huì)曇花一現(xiàn);產(chǎn)業(yè)發(fā)展取決于市場(chǎng),不能揠苗助長(zhǎng),否則就會(huì)是過眼云煙。