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电动汽车时代到来前,如何获得足够多的电池?

电能配件 2023-1-16 10:55 Au: 能源评说

电动汽车时代到来前,如何获得足够多的电池?

图片来源@视觉中国

文 | 陈根未来,作者 | 陈根

近年来,随着社会对情况污染问题的日益关注,用电动车取代燃油车成为默许的趋势。按照国际能源署的数据,2022年,无排放汽车和卡车可能占全球所有新车销量的13%,而两年前仅为4%。到2030年,这一数字有望增长到30%左右。各类驱动力一起推动了电动汽车从小众选择走向主流。

电动汽车变得越来越普遍,使得人类对锂离子电池的需求也在飙升。对于天气变化来说,更多地使用电动汽车是一个好消息。但制造电池所需的金属供给已经捉襟见肘,到2050年,我们对锂的需求可能会增加20倍。在这样的情况下,电池的回收操纵,就变得至关重要。

相互玉成的电池和电车


今天,我们之所以能引来电动汽车的时代,其中一个重要因素,就是电池工艺的进步。

显然,电动汽车和电池技术都不是近些年才发现出来的技术。1800年,意大利物理学家亚历山德罗·伏特发现了人类历史上的第一个电池——伏特堆。这一用锌片(阳极)和铜片(阴极)以及浸湿盐水的纸片(电解液)制成的最初的电池,证实了电的人为制造可能性。

1881年,法国工程师古斯塔夫·特鲁夫就制造出了世界上第一辆电动汽车,并用铅酸蓄电池为该车提供动力。不外,这辆车唯一15km/h的速度和16km的续航里程,整体效率甚至都比不上马车。由于那时的电池工艺和电动汽车技术的有限,因此,那时,电动汽车也没有引起太多关注

现在,得益于电池工艺的进步,以及社会对情况污染的关注,我们正在迎来前所未有的电动汽车时代。事实上,交通工具电气化已是一个相对确定的趋势。

一方面,凭仗着高能量密度、高平安性的上风,锂离子电池已经能够支撑电动汽车的里程。现阶段,锂离子电池已经成为电动汽车最重要的动力源,其发展履历了三代技术的发展,其中,钴酸锂正极为第一代,锰酸锂和磷酸铁锂为第二代,三元技术则为第三代。

另一方面,在全球应对天气变化、提倡使用新能源的布景下,传统汽车以燃油来作为动力源已逐渐不被公共所接管。全球范围内,多国政府都制定了相关政策,力图推动汽车制造商进行业务换轨,同时也激励消费者做出改变。

中国、日本、韩国、美国等主要国家都在大力发展新能源汽车,全球电动汽车销量整体呈增长趋势。2010年,新能源汽车被国务院确定为七大战略性新兴产业之一,作为我国战略性新兴产业之一,政府高度重视新能源汽车产业发展。先后出台了全方位激励政策,从研发环节的政府补助、生产环节的双积分,到消费环节的财政补助、税收减免、再到使用环节的不限牌不限购,运营侧的充电优惠等,几近覆盖了新能源汽车整个生命周期。

美国加利福尼亚州和纽约州出台了规定,到2035年逐步淘汰所有仅使用化石燃料的汽车的销售,其方针在于到2037年将乘用车污染削减25%。欧盟在2022年6月通过的一项提案规定:从2035年起头在欧盟境内停止销售新的燃油车。

业界以为,电动汽车将是全世界未来10年发展最快的产业之一。国际能源署发布的《清洁能源进展跟踪报告》指出,2021年全球电动汽车销量翻了一番,占整个汽车市场的9%。该报告猜测电动汽车销量在2022年将再创历史新高,占全球轻型汽车总销量的比例将升至13%

可以预见,电动汽车的使用将在全世界变得越来越普遍。

电池回收并不轻易


然而,动力电池的焦点材料锂、钴、镍等都是稀缺资源,电动汽车的风行将不成避免地让这些原料供给捉襟见肘。相关数据猜测,到2050年,全球对锂的需求会增加20倍。与此同时,自2020年以来,原材料紧缺叠加新冠疫情的大风行致使产能出现下滑,“电池荒”已经对电动汽车产业造成较大的困扰。

国际能源署指出,生产一辆传统汽车均匀需要消耗的金属矿产约为33千克,而电动汽车则跨越200千克,是传统汽车的6倍。这也意味着,要支撑日益增长的电动汽车产量,需要有足够多的金属矿产量。而现实是,矿产资源有限的,陪伴着市场价格的水涨船高,也将给电动汽车生产商带来庞大的经营压力。

斟酌到动力电池的均匀4-6年的有效寿命以及5-8年的使用年限,连系2014年起头的电动车快速普及,2021年末,我们就已经迎来第一批退役高峰。十到十五年后,数百万辆电动车更将寿命到期。

2020年2月,奥迪公司就公开认可由于动力电池供给不足致使e-tron短暂停产;2021年1月,特斯拉CEO马斯克就预计,即使电池供给商以最大速度生产,2022年及以后的电动汽车电池供给仍会严重紧缺;2021年3月,蔚来汽车开创人李斌也表达了该年二季度电池供给将遭遇最大瓶颈的窘境。

在这一布景下,电池回收技术引起了电动汽车行业的关注。传统汽车的铅酸电池能被普遍回收操纵,但新能源电动车的锂离子电池回收,却不是件轻易的事。

众所周知,废旧电池是一种污染性很强的垃圾。尤其是体积庞大的动力电池,其包括大量重金属、电解质、溶剂及各类有机物辅料,集多种毒性很强的污染物于一身,不得当的处置会严重污染土壤与水源,亦会发生有毒气体排放。因此,简单的填埋或是焚烧,都不适适用来处置退役的动力电池。因此,为了实现锂电池的再操纵,拆解回收梯次操纵就成为必定选择。

拆解回收,即再拆解回收其中有价值的金属元素包括两种主流处置工艺:火法回收和湿法回收。其中,“火法回收”则更加常见——回收者首先将电池进行机械破坏,然落后行燃烧从而留下一堆烧焦的塑料、金属、胶水,最后使用包括进一步燃烧的几种方式来提取金属。而“湿法回收”是将电池材料浸入酸池中从而发生金属负载的汤。

固然,非论是火法回收还是湿法回收,都有其优点和缺点。比如,“火法回收”不需要回收者知道电池的设计或成份,甚至不需要知道电池是否已完全放完电便可以平安地进行,但作为价格能源消耗很大。而湿法回收可以提取不易通过燃烧获得的材料,但其中可能涉及对健康有危害的化学物质。但无论是哪类方式,不成避免的是——城市发生大量废物并排放温室气体

从循环经济角度斟酌,梯次操纵比起火法或湿法冶炼要轻松很多。梯次操纵是指动力电池在到达设计使用寿命时,通过修复、改装或再制造等方式使其能够在合适的工作位置继续使用的进程。退役的动力电池经过相关的检测,确定其性能后,可依次用于低功率电动车、电网储能、家庭储能范畴,等电池性能进一步劣化后,低于最低操纵标准再行回收。

但今朝,锂电池梯次操纵的线路的整体发展却较为缓慢一方面,梯次操纵需要对退役动力电池进行充实的评价检测,确定其性能。经过检测筛选后,才可按照分歧的用途,对退役电池进行重组,稳定重组后的电池包电压、电流,最后重新打包投入使用。但当前,基于容量衰减机理分析建立的电池寿命猜测模子首先就不够完善,更不用说后面的步调。

另一方面,从经济效益来看,梯次操纵涉及的逆向物流系统很是复杂,中间环节众多,在梯次操纵进程中,电池制造商、回收商、研究职员还需要解决很多问题,这使得梯次操纵远比直接拆解回收要麻烦,不如直接回收来得省事。不但如此,复杂的流程还严重堆高了梯次操纵电池的本钱,甚至出现重组电池和新电池价格倒挂的现象——旧电池比新电池还贵。

电池回收的庞大市场


电池回收虽然并不轻易,却依然催生了一个庞大的市场。

按照咨询公司Circular Energy Storage的数据,2021年全球有跨越60万公吨的可回收锂离子电池和相关制造废物。预计到2030年,这一数字将跨越160万公吨。今朝,多个科研实验室正在尽力改良电池回收技术,以期找到一个既标准化也很环保的回收技术。

电动汽车可观的发展远景也吸引了越来越多的企业进入电池回收行业,比如Redwood Materials和Li-Cycle,它们从公共和私人投资者那边获得了数十亿美元资金并起头扩大经营范围。其中,Redwood Materials使用的就是湿法冶金的工艺从废旧电池中回收钴、锂和镍等有价值的金属。Li-Cycle则声称其专有的旧电池回收工艺可回收高达 95% 的有价值材料。

2021年,产业和信息化部、科技部、生态情况部、商务部、市场监管总局结合印发《新能源汽车动力蓄电池梯次操纵治理法子》。文件提出,激励梯次操纵企业与新能源汽车生产、动力蓄电池生产及报废灵活车回收拆解等企业协议合作,增强信息同享,操纵已有回收渠道,高效回收废旧动力蓄电池用于梯次操纵。

相关政策也带动多量企业进入电池回收赛道。数据显示,截至2022年8月底,我国现存动力电池回收企业数量已突破6万家。包括宁德时代、蔚来汽车等新能源企业和汽车厂商,也在大力推进旧电池回收。

在2015年,宁德时代就通过收购邦普循环发力动力电池回收范畴;2022年5月,宝马团体公布与华友循环携手在新能源汽车范畴,打造动力电池材料闭环回收与梯次操纵的创新合作模式;8月,广汽埃安与赣锋锂业建立合作关系,将在锂资源开辟、中游锂盐深加工及废旧电池综合回收操纵各层面的深入合作。

可以预见,在未来数十年内,动力电池需求将陪伴电动汽车的发展迎来指数级增长,单靠制造不足以满足这一需求,这也是为什么2023年《麻省理工科技评论》将电池回收操纵列为“全球十大突破性技术”之一的原因。虽然新的回收流程也并不完美,但电池回收工场将为世界缔造满足天气方针所需的材料供给。

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