深度报告丨锂动力电池回收及梯次利用

2、动力电池回收体系建设具备经济与环保的双重意义

动力电池的回收主要分为梯次利用和拆解回收两个循环过程，且动力电池的回收循环从梯次利用开始。拆解回收是指对已经完全报废的动力电池进行破碎、拆解和冶炼等，实现镍钴锂等资源的回收利用。动力电池的生命周期一般包括生产、使用、报废、分解以及再利用。车用动力电池的电池容量降低为80%后，其充放电性能将不能满足汽车行驶的要求，需要报废，此类动力电池除了化学活性下降外，电池内部的化学成分并没有发生改变，其中仍有20%容量可用于电量需求较小的领域，即电池容量低于60%才不再具有使用价值，因此电动汽车使用的电池容量仅占动力电池全生命周期可用容量的50%，若从电动汽车上拆卸下来的电池直接拆解回收，将造成50%的能量浪费，将这类电池重组后，梯次应用于比汽车电能要求更低的场合，实现电池容量的充分利用；对于再利用循环寿命较小，以及容量低于60%的动力电池，将不再具有使用价值，这类电池需要进行拆解回收，提取出有价值的金属和材料，之后再将回收的金属和材料应用于电芯、模块、系统的生产中，使动力电池整个生命周期形成一个闭环状态。

从目前潜在退役电池结构来看，未来中期退役电池主体以磷酸铁锂为主，三元电池为辅。根据动力电池4-6年的使用寿命进行推测，到2022年前磷酸铁锂电池都将是退役电池的主力，最晚2023年开始，三元动力电池将超过磷酸铁锂电池，成为再生利用的主要对象。

（1）梯次利用：前景广阔，大规模应用仍有待时日

梯次利用是指筛选从电动汽车退役后还具有初始容量的60-80%容量的动力电池，经过重新的检测分析、筛选之后，用于其他运行工况相对简单，对电池性能要求较低的领域。例如：作为储能材料，进行谷电峰用，平滑分布式电源功率波动；作为通讯基站的备用电源；用在低速电动车、电动摩托车等对电池性能要求相对较低的场景等。从应用领域看，退役动力电池在储能和低速电动车等领域有着巨大的应用潜力，由于技术目前还相对不成熟，在利用过程中仍存在安全问题；同时，由于缺乏行业标准，不同类型电池回收之后进行统一再利用存在困难期，梯次利用总体还处于示范性应用阶段，但目前国内已有了成功的案例。

梯次利用的电池多为磷酸铁锂电池，三元电池由于富含丰富的有价金属，通常直接拆解回收。目前汽车上使用最多的动力电池为磷酸铁锂电池和三元材料电池，磷酸铁锂电池容量衰减程度远远小于三元电池。三元电池循环次数在2500次左右时，电池容量衰减到80%，此后相对容量随着循环次数的增多呈现迅速衰减趋势，故梯次循环次数较少，再利用价值极低，而磷酸铁锂电池容量随循环次数的增多呈缓慢衰减趋势，当电池容量衰减到80%后，从汽车上退役下来的磷酸铁锂电池仍有较多循环次数，有较高梯次利用价值。

电力系统储能：从技术上来看，电动汽车动力蓄电池梯级利用电池应用于电力系统储能是可行的，但是由于退役动力蓄电池电芯的性能参数差异较大，如何确定简单、合适、可靠并具备一定普适性的分选条件是目前需解决的技术难题。

通信基站备用电源：通信基站备用电源应用较多的是铅酸电池，部分也用新的磷酸铁锂电池，备电对电池的要求不是特别的高。铅酸电池存在使用寿命短、性能低、含有大量重金属铅等缺点，废弃后若处理不当将对环境造成二次污染。梯次电池相比铅酸电池在循环寿命、能量密度、高温性能等方面具备一定优势，各项性能指标优于铅酸电池。由于通信基站备用电源电池的标称电压固定为48V，还有通信领域对BMS的不同要求等，因此，车用退役动力电池无法直接整包应用于通信基站备用电源，需要拆解重组成标准模块后应用。

低速电动车：低速电动车包括四轮低速电动车、电动摩托车、电动自行车等。这一领域拥有巨大市场保有量，比汽车保有量大得多。截至2017年底，我国四轮低速电动车已经超过200万辆，应用主要是以铅酸电池为主，但未来四轮低速电动车锂电化已经非常明确；电动三轮车目前保有量超过5000万辆，主要应用领域是农村地区作为生产力工具另外还有城市快递物流车；电动自行车方面，社会保有量已经高达2.5亿辆。

中国铁塔积极布局梯级利用业务，目前为梯次利用商业化拓展的最大“甲方”。2015年10月起，在工信部相关司局和汽车动力电池产业创新联盟的指导下，中国铁塔开始了探索动力电池回收及循环利用，先期组织9个省(市)分公司、10个厂商建设了57个试验站点，测试站点地域范围覆盖全国大部分地区、主要的基站类型。经过近两年的跟踪，测试站点运行良好，数据表明梯级电池应用于通信基站领域具有良好的可行性。在前期试点基础上，中国铁塔2017年6月启动了更大规模试点，陆续在广东、福建、浙江、上海、河南、黑龙江、辽宁、山东、天津、山西、四川、云南12个省(直辖市) 11000多个站址开展梯级电池替换现有铅酸蓄电池的试点。2018年1月，中国铁塔被推选为中国汽车动力电池产业联盟回收利用分会理事长单位，与16家新能源汽车主流企业签署了战略合作协议，进一步推进动力电池梯次利用，实现绿色发展。2018年7月12日正式对外公布：原则上从今年起，不再新采购铅酸电池，逐步通过梯次电池替代。

作为动力电池梯级利用产业中的大户，中国铁塔对退役动力电池有长期稳定的需求。截至2018年底，中国铁塔公司已在全国31个省市约12万个基站使用梯次电池约1.5GWh，替代铅酸电池约4.5万吨。公司现有通信基站188万个，备电需要电池约44Gwh；60万座削峰填谷站需要电池约44Gwh；50万座新能源站需要电池约48Gwh。合计需要电池约136Gwh，以存量站电池10年的更换周期计算，每年需要电池约13.6Gwh；以每年新建基站5万个计算，预计新增电站需要电池约1.2Gwh，这一需求量无疑让中国铁塔成为了电池回收利用大户，据铁塔公司规划，2019年其将继续扩大梯次利用电池使用规模，预计应用梯次利用电池约5GWh，替换铅酸电池约15万吨，预计可消纳退役动力蓄电池超过5万吨。

（2）拆解回收：三元电池拆解更具经济性，湿法技术日渐成为主流三元电池的退役利用方式中，拆解更具经济性。三元材料电池中镍12.1%，钴3%，锂的平均含量为1.9%，显著高于我国开发利用的锂矿（锂矿山中Li2O平均品位为0.8%～1.4%，对应到锂含量仅0.4%-0.7%），此外，随着新能源汽车的推广，动力锂电池需求的增长，国内锂需求也随之爆发，锂的价格从2016年开始飙升。我国虽然锂矿资源丰富，但是因为幅员辽阔以及开采难度等原因导致产出较少，锂资源供给有限，90%以上的需求都依赖进口。与此同时，镍和钴元素都是价值较高的有色金属，其中镍的价格目前在11万元/吨左右，钴的价格在21万元/吨左右，钴作为战略资源，我国钴矿资源较少，目前探明储量8万吨，仅占世界钴储量的1.12%，且国内钴矿品位低，回收率低，生产成本高，供需缺口导致进口依存度高。梯次利用结束后是拆解回收环节，完全报废的电池同样具有很高的回收价值。

废旧电池回收拆解的完整流程一般包括4个步骤：（1）电池的预处理；（2）电池材料的分选；（3）正极中金属的富集；（4）金属的分离提纯。每一步骤均包含多种处理方法，各有优缺点，回收方法按提取工艺可分为3大类：火法回收技术，湿法回收技术，生物回收技术。综合利用各种方法对金属材料进行回收，金属的回收率和纯度基本均可达90%以上。

我国废旧动力锂离子电池回收工业上主要以湿法为主。目前国内的拆解再生回收技术正日渐成熟，目前电池回收领域主流参与企业包括以宁德时代为代表自建回收体系电池生产厂商、以格林美为代表第三方专业回收拆解利用企业、以及以赣锋锂业为代表正积极布局中的锂电池上游原料提供商。随着新能源汽车产业链的持续扩张，相关公司在切入动力电池回收利用领域的同时，也在积极布局电池材料生产领域。具体来看，拆解方面，湖北格林美、湖南邦普等开发了自动化拆解成套工艺，北京赛德美开发了电解液和隔膜拆解回收工艺。再生利用以湿法冶金及物理修复法为主。湿法冶金方面，湖南邦普开发了“定向循环和逆向产品定位”工艺，湖北格林美开发了“液相合成和高温合成”工艺。物理修复方面，赛德美对电池单体自动化拆解、粉碎及分选，再通过材料修复工艺得到正负极材料。国外回收工艺则以火法冶金和湿法冶金为主。比利时Umicore、美国Retriev Technologies、日本住友金属矿山等都是全球较为知名的锂电池再生企业，他们的回收主要是针对动力电池的有价金属元素如锂、镍、铜，其他的价值较低的组分关注很少。

前期预处理：回收到的废旧电池首先要进行前期预处理，包括放电、拆解金属外壳和分离电极材料。回收到的废旧电池首先需要在专业放电设备上进行放电，去除残余电量，再对电池进行拆解，将电池外壳剥离，可以获得电芯材料，同时在此过程中收集电解液，而金属外壳会统一回收集中处理。主要的放电方法有浸泡法、金属导电法和低温冷冻法。浸泡法即将废旧电池放置于一定浓度的导电溶液进行短路放电，常用的导电物质有氯化钠，该方法简单可行，是当前最常用的方法。获得的电芯材料会进行破碎及筛分处理，从而进一步获得电池正极材料、电池负极材料和隔膜。常见的预分离方法有手工拆解、机械粉碎、溶剂剥离、高温热处理等。正极材料将会进行下一步的细化处理。

火法回收处理工艺：废电池回收首先做放电处理，然后将其外壳剥离并回收；将电芯与石灰石、焦炭混合，放进焙烧炉进行还原焙烧；有机物燃烧分解，生成二氧化碳等气体，多数氧化锂以蒸气形态泄出并用水吸收，金属钴和铜等生成含碳合金，沉渣将磷和氟固定，铝被氧化成炉渣，钴酸锂被还原为金属钴和氧化锂；锂离子电池通过上述处理所生成的合金会有镍、钴、铜等金属。继续对此合金分解，能够分离出高价镍盐及钴盐。也可以通过焚烧电池去除有机物，通过将残余粉加热溶于酸这种方法，便能够分离出氧化钴，并且筛选除去铁和铜之后，可以用来制造涂料及颜料的原料。在此方法中，通过燃烧方式去除有机溶剂及粘结剂，极大可能生成有毒气体。火法回收技术处理量大、工艺简单、能处理种类繁杂的电池；但火法冶金工艺成本高、对设备的要求高、处理过程中会产生大量的有害气体。湿法回收处理工艺：湿法回收是指将废旧电池拆解预处理后溶于酸碱溶液中，萃取出部分有价值金属元素，再经过离子交换法和电沉积等手段，提取出剩余有价值金属，包括浸出过程和分离（萃取、沉淀）过程。浸出的目的是利用酸液将锂离子电池正极材料中的金属元素及金属化合物溶解，实现固态正极活性物质中的金属组分转移至溶液中，以便后续的分离和回收。湿法回收技术处理成本低、有价金属的回收率高、工艺稳定性好；但湿法冶金工艺流程长，处理量小，处理过程中产生大量的废液需进一步环保处理。

生物回收处理工艺：生物回收技术主要是利用微生物浸出，将体系的有用组分转化为可溶化合物并选择性地溶解出来，实现目标组分与杂质组分分离，最终回收锂、钴、镍等有价金属。生物法具有成本低、污染小、可重复利用优点，长期来看是电池回收发展理想方向，但目前生物回收技术尚未成熟，如高效菌种的培养、培养周期过长、浸出条件的控制等关键问题仍有待解决。

动力电池回收的环保方面的价值同样不可忽视。废旧动力电池中的部分物质会对生态环境造成很大的危害，以磷酸铁锂电池为例，其含有的多种化学物质都在国家危险废物名录中；有机溶剂及其产物对大气、水、土壤造成严重的污染；铜等重金属在环境中累积最终将通过生物链危害人类自身。如果对废旧动力电池仅采用填埋、焚烧等普通垃圾处理方式，会对环境造成严重污染，因此对废弃动力电池加以合理回收利用有极大的意义与必要性。

3、动力电池回收市场两年内有望迎来百亿市场空间由于锂电池中存在着锂、钴、镍、锰、铜、铝等材料，对上述金属进行回收将获得可观的经济价值，在这一部分我们对动力锂电池回收的经济性进行了具体测算。

模型基本假设：

1. 预计电池的使用年限为3-5年，我们假设三元材料和磷酸铁锂电池退役年限为4年。

2. 随着技术进步，三元材料和磷酸铁锂电池能量密度逐渐提高。

3. 三元电池全部用于资源回收，磷酸铁锂电池全部用于梯级利用。

4. 假设三元材料电池中金属含量分别为：镍12.1%、钴3%，锰7%，锂1.9%，铝12.7%，铜13.3%，且各元素相对稳定。

5. 假设目前技术能够实现钴、镍、锰贵金属材料回收率95%，锂盐回收率85%，铝、铜等金属材料回收率100%。

6. 根据2019-07-26日的90天金属均价(电解钴23万元/吨、镍10.19万元/吨、锰1.32万元/吨、锂68.96万元/吨、铝1.40万元/吨、铜4.72万元/吨)测算拆解回收收益。

我们根据中汽协新能源车产销数据测算三元材料、磷酸铁锂材料电池市场保有量，推算出2020年退役动力锂电池达到26.69GWh，其中三元电池6.38Wh，磷酸铁锂电池20.31GWh，共计23.78万吨，对应131亿市场空间。2025年退役动力锂电池达到134.49GWh，其中三元电池100.53GWh，磷酸铁锂电池33.96GWh，共计80.36万吨，对应354亿市场空间。