鋰離子電池的應用和發(fā)展

如今，鋰離子電池已經(jīng)廣泛應用在從便攜式電子產(chǎn)品到電動汽車等各種設(shè)備和場合中。而越來越多的能源廠商也將鋰離子電池應用于儲能系統(tǒng)，通常將其與可再生能源發(fā)電設(shè)施配套部署。根據(jù)彭博新能源財經(jīng)公司的最新預測，隨著鋰離子電池價格的持續(xù)下降，以及可再生能源發(fā)電量的日益增長，預計到2040年全球部署的儲能系統(tǒng)的累計容量將到2,857GWh。

調(diào)研機構(gòu)的預測描繪了一個令人鼓舞的前景：隨著全球可再生能源和清潔能源采用量的迅速增長，基于鋰離子電池的儲能應用也越來越廣泛。在電動汽車以及電網(wǎng)規(guī)模的儲能應用的推動下，鋰離子電池的銷售量將會激增(如圖1所示)。圖2中的圖表描述了預計到2025年鋰離子電池的銷售量(以噸為單位)。鋰離子電池數(shù)量的大量增長促使行業(yè)廠商致力于尋求一種具有商業(yè)規(guī)模并且經(jīng)濟可行的回收解決方案，用于大規(guī)模處理和回收廢棄的鋰離子電池，以下將探討鋰離子電池回收行業(yè)當前面臨的一些挑戰(zhàn)，以及克服障礙的方法和機會。

圖1. 2018年至2040年全球累計部署的鋰離子電池儲能系統(tǒng)裝機容量(單位：GW)

圖2. 2008年至2025年全球鋰離子電池銷售量(單位：噸)

鋰離子回收行業(yè)的挑戰(zhàn)

1、回收與采購

資源的回收和處理通常面臨一系列獨特的挑戰(zhàn)，需要適應經(jīng)濟和技術(shù)的發(fā)展。這些資源通常是廣泛分布的，因此難以為其處理和回收工廠收集大量原料。相比之下，盡管鉛酸電池回收等一些行業(yè)的收集和回收供應鏈已經(jīng)構(gòu)建并日益成熟，但鋰離子電池回收供應鏈仍在不斷變化和發(fā)展中。回收者在回收時可以將鋰離子電池以便攜式、小尺寸和大尺寸進行分類，分別對應于鋰離子電池的電壓(低壓、中壓、高壓)。每種類型的鋰離子電池都有不同的利益相關(guān)者群體——例如，制造商、經(jīng)銷商、電子產(chǎn)品回收商以及車輛回收商。在儲能領(lǐng)域也存在一些利益相關(guān)者群體——電池提供商、儲能集成商、儲能項目開發(fā)商和儲能資產(chǎn)所有者。通過廣泛的利益相關(guān)者管理鋰離子電池的固有異質(zhì)性，這是鋰離子資源回收行業(yè)廠商面臨的一個主要挑戰(zhàn)。

2、運輸與法規(guī)

鋰離子電池由于具有化學和電氣雙重風險，目前被歸類為第9類危險品。鋰離子電池具有熱失控的缺點，通常是由于內(nèi)部短路而導致起火或爆炸。有許多因素可能導致鋰離子電池熱失控，其中包括過度充電、環(huán)境條件惡劣(例如極端外部溫度)和制造缺陷等。在熱失控發(fā)生時，鋰離子電池通常會在幾秒鐘內(nèi)從室溫提高到700℃以上。作為復雜的化學反應的一部分，鋰離子電池中的電解質(zhì)溶劑(通常為碳酸烷基酯)是電池燃燒的主要燃料。

當處理嚴重損壞或有缺陷的鋰離子電池時，必須格外小心，因為這樣會增加熱失控的風險。通常采和專用容器(例如，Genius Technology公司用于中壓至高壓鋰離子電池的LionGuard容器)與不易燃的包裝材料配合使用，以安全地運輸這些電池。隨著鋰離子電池總體數(shù)量的增加，在各種應用中損壞或具有缺陷的鋰離子電池的數(shù)量也隨之增加。如今，鋰離子電池資源回收行業(yè)日趨成熟，但世界各國的相關(guān)法規(guī)差異很大。隨著新行業(yè)和研究報告的發(fā)布，這些法規(guī)每年也可能發(fā)生重大變化。因此，在廠商開發(fā)和回收鋰離子電池的過程中，需要密切跟蹤相關(guān)法規(guī)(包括物流)方面的變化。

3、安全與儲存

運輸和法規(guī)變更的挑戰(zhàn)通常圍繞一個關(guān)鍵因素：安全。對于處理、運輸、儲存、加工鋰離子電池的廠商來說，安全性至關(guān)重要。因為鋰離子電池存在熱失控的風險，這對鋰離子電池的處理和運輸提出了獨特的挑戰(zhàn)。具體而言，最安全的方法是在現(xiàn)場使用盡可能少的鋰離子電池，以減輕發(fā)生熱失控事件的風險。但是，這與確保大量廢棄鋰離子電池用于加工和處理目的的要求相矛盾。當前廢棄鋰離子電池(便攜式/小型電池)通常來自手機、筆記本電腦和其他消費類產(chǎn)品)，這使其安全存儲的發(fā)展更加復雜。廢棄的便攜式鋰離子電池通常與其他類型的電池混雜在一起。在初步檢查時，工作人員對于收集的電池狀態(tài)(是否完好無損)并不了解，通常只有在分類或處理時才會了解。而對于儲能系統(tǒng)中的鋰離子電池，必須嚴格實施有關(guān)托盤/機架間距，儲存密度以及在存儲空間采用滅火系統(tǒng)等協(xié)議，以減輕與鋰離子電池熱失控和著火有關(guān)的風險。

廢棄的鋰離子電池回收和處理面臨的挑戰(zhàn)

從電池回收工藝的角度來看，由于鋰離子電池原料的高度異質(zhì)性，與傳統(tǒng)的金屬資源回收相比，鋰離子電池的回收面臨獨特的挑戰(zhàn)。目前，市場上的鋰離子電池至少存在14種不同類型的陰極材料，當考慮特定成分時，每種陰極材料都有所不同。對于傳統(tǒng)的金屬資源，采用主要回收措施可能回收1到4種金屬元素(例如銅、金、銀和鉑等)。但是，鋰離子電池可能需要考慮回收利用20多種元素，如圖3中的元素組成。另外，這些金屬元素通常與無機材料、有機材料和塑料混雜在一起，這進一步使鋰離子電池的回收過程復雜化。為了能夠分離出有價值的成分，通常需要具有許多單獨單元操作的復雜工藝流程圖。在這種情況下，電池回收工藝流程進行的物理測試工作是非常關(guān)鍵的，并需要通過技術(shù)和經(jīng)濟來驅(qū)動。

例如，Li-Cycle公司就是一家專注于鋰離子電池資源回收技術(shù)的公司。自2016年合并以來，Li-Cycle公司開發(fā)了一種獨特的回收工藝，該工藝采用機械預處理和濕法冶金方法可以回收鋰離子電池材料的80%～100%。該公司采用這一先進的資源回收流程，致力于從各個供應鏈參與者那里采購廢棄的電池，并對安全性進行優(yōu)先排序，這成為了Li-Cycle公司實現(xiàn)其鋰離子電池回收技術(shù)全球商業(yè)化目標的基本要素。

機遇與未來展望

在未來的二十年中，用于儲能系統(tǒng)和其他應用的鋰離子電池的全球數(shù)量將穩(wěn)步增長，這凸顯了未來這些電池都必須有可持續(xù)的回收途徑。電池回收廠商的使命是利用其創(chuàng)新解決方案來應對新興的挑戰(zhàn)，因此需要改進的技術(shù)和創(chuàng)新的供應鏈，以更好地回收這些電池，并滿足對關(guān)鍵且稀缺的電池材料迅速增長的需求。鋰離子電池成為了碳基經(jīng)濟向可持續(xù)能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵驅(qū)動力，可擴展性、低成本、安全性和環(huán)境可持續(xù)性是鋰離子電池回收技術(shù)的核心原則，并將大量減少溫室氣體排放。

為了確保產(chǎn)生積極影響，必須構(gòu)建一個完善的回收體系大規(guī)模地安全處理和回收廢棄的鋰離子電池，并將回收的電池材料重新整合到鋰離子電池供應鏈中，促進更廣泛的經(jīng)濟發(fā)展，同時防止對環(huán)境和安全產(chǎn)生負面影響。