我國新能源汽車產業的跨越式增長,促進了動力電池技術高速發展,隨之而來的動力電池退役問題,引發各方關注。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定》(簡稱《回收溯源規定》)將正式實施,強調落實生產者責任延伸制度,要求汽車生產企業承擔動力蓄電池回收的主體責任。這一規定為避免來資源浪費和環境污染帶來福音。

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,發展鋰電產業,需要同時做好先進電池技術研發與鋰資源高效利用。對于動力電池回收,應盡量采用綠色回收技術,避免對環境造成二次污染。

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,電動汽車的關鍵是電池。目前鋰電池已成為各方關注的熱點。在吳鋒看來,鋰離子電池由于具有比能量大、循環壽命長、安全性能好、可快速充放電等優點,使得相關技術及關鍵材料,成為當前國際競相研發的熱點,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用的關鍵環節。最近有報道稱,美國宇航局(NASA)正在研發的X-57純電動飛機項目已經進行3年時間,即將實現首航,實現空中零排放,以后的商用化更需要電池技術的突破發展。

我國新能源汽車補貼已呈現去補貼化的態勢。今年財政部、工信部、科技部、發展改革委聯合發布了《關于調整完善新能源汽車推廣應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展必須要力爭滿足市場的發展需求。國家此舉意在鼓勵高能量密度電池的發展,以實現新能源汽車更長的續航里程,滿足市場的進一步需求。2020年補貼即將取消,當務之急是想辦法讓電池和新能源汽車更好地適應市場的發展和需求。

自“十三五”以來,動力電池能量密度指標的發展趨勢越來越高。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400瓦時/公斤,遠期(2030年)要實現500瓦時/公斤。近年來,電池關鍵材料和技術進步顯著,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展。

從技術角度來看,鋰離子電池單純的要做高比能量應該可以做到,但要做到高指標的產業化就很難,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,也要斟酌一些產業化指標的實現途徑。尤其是作為關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、循環性、倍率等指標,這需要企業在進行技術創新和研發過程中有所側重。

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

回收環節需要綠色技術

目前二次電池產量急劇上升,已滲透到國民經濟和人民生活的各個領域,電池對社會產生了巨大的環境和資源壓力。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境中,大量重金屬及化學物質進入大自然,將會對環境造成很大的污染。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,吳鋒的預測是,到2020年全球廢舊鋰電池的數量約為250億只。對環境的負面影響將日趨嚴重,鋰資源也將日漸匱乏,動力電池回收已經迫在眉睫。在這樣的背景下,《回收溯源規定》8月1日即將落地可謂應運而生。

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,在研發廢舊鋰電池回收技術上,吳鋒認為應該集合全產業之力,實現重點環節逐個突破。動力電池回收牽扯到環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,每年回收的金的產量超過世界最富產的南非,銀的產量超過世界最富產的波蘭。

在回收技術方面,目前國內外使用較多的是強酸的工藝技術,難以避免了強酸回收處理中的二次污染。吳鋒團隊采用了環境消耗天然有機酸的回收技術,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于強酸的水平,實現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展,起源于二次電池固體電解質材料和鎳氫電池儲氫材料的研究,依賴于關鍵材料技術的創新和進步。其帶領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年至今已經合作16年之久。多年來的一個經驗感悟就是:創新不是炒作,不能急功近利,否則就會曇花一現;產業發展取決于市場,不能揠苗助長,否則就會是過眼云煙。