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ag九游国际新能源汽车动力锂电池回收综合利用



  上,会上,深圳市恒创睿能环保科技有限公司技术总监邱凯伦介绍了新能源汽车动力锂电池回收综合利用。

  2019年全球锂电池的回收市场规模约为1.653亿美元,预计到2030年将增至181亿美元。亚太地区(APAC)在锂电池回收市场中占比最高,目前约占七成左右,预估至2030年整体成长率约18.3%。包含中国、越南、印度及菲律宾都有许多回收公司。因电动汽车的普及与爆炸性的成长,至2020年仅中国大陆就将产生50万吨废锂电池,至2030年全球每年将达到200万吨;2018年全球共回收约9.7万吨的电池,而中国在2018年回收近6.7万吨的废锂电池,占全球市场69%,南韩居次,回收约1.8万吨。目前欧盟及美国的回收率不到5%,虽然欧盟及美国回收公司具有完善之处理流程,但很难达到营利目标,或正是缺乏经济效益较高的回收途径与去化。

  全球锂电池(LithiumBattery)市场由于应用领域的大幅扩张,整体市场处于成长期,过去5年快速成长。其中,正极材料使用量也不断增加,正极材料决定了锂电池的能量密度、循环寿命与安全性,占锂电池成本三成以上。图为各种正极材料市场成长趋势,由于各种材料的性能与优缺点均有不同,其适用领域和发展前景也不尽相同。从应用结构来看,锂电池之正极材料市场可以细分为小型锂电池正极材料市场和动力锂电池正极材料市场,小型锂电池正极材料主要包括钴酸锂(LiCoO2)、三元材料(NMC及NCA)与锰酸锂(LiMn2O4)等,而动力锂电池正极材料主要为锰酸锂、磷酸铁锂(LiFePO4)和三元材料。

  近五年因钴价格的暴涨暴跌,价格波动高达300%。含钴量占质量百分比60%的钴酸锂承受巨大的成本考验,因此,锂电池厂商积极找寻可替代之材料,亦开始发展低钴和无钴的低成本之正极材料作为解决方案。

  尤其在电动汽车市场的应用,对于高能量密度之含镍电池需求将逐渐增加,在NickelInstitute的研究报告指出,2016年全球市场约有39%的锂电池使用镍,预计至2025年其比例将上升至58%左,尤其是对于电动汽车等车载电池上的应用,高能量密度含镍之电池的需求将会增加。从回收(Recycle)的角度来看,也要预先布局,从目前回收钴的主流,一并考量镍的回收处理方式。

  正极材料的技术发展上,目前将以高能量密度NCM的研究开发为主,且以「镍」为研发标的来取代钴的使用比例。镍在高温下具有稳定性及所含比例愈高则能量密度愈大的特性,因此形成高镍化之高克电容量材料的新技术主流趋势,尤以动力车用电池的技术应用为主。中国大陆因政策与市场推动下,已有比亚迪、天津力神等业者投入NCM811动力锂电池产品开发,量产出超越现有三元材料NCM523克电容量166mAh/g的高能量密度锂电池,有助提升续航能力。而NCM811的意思是:在三元锂电池正极材料中,三种主要材料:镍(Ni)、钴(Co)、锰(Mn)的比例,分别是8:1:1,可以看出镍的比例远高于钴,代表着具有更高的电池能量密度,而若与三元材料NCM523同重量的电池相比,NCM811可望提供更多电量、更高的续航力,且对于希望降低电池重量及缩小电池空间等需求也得以实现。

  高镍化的电池技术开发量产设备与技术皆与以往大不相同,仍吸引全球电池产业投入,除中国大陆电池业者宁德时代(CATL)、比克、天津力神、外,日本有松下(Panasonic),而韩国电池企业则有LG化学、三星SDI、SKI等纷纷投入研发、量产,且大多以圆柱型开发为主。据韩国媒体ETNews报导,近期韩国业者三星SDI更提出投入90%以上的高镍比例之电池技术开发,可见此波高镍化的正极电池技术研发竞赛将会持续发展下去

  锂电池回收产业界中,中国拥有最大及最有经验的一线回收厂。根据BCG分析,在中国具规模之回收厂回收锂电池三元正极材料所带来的利润为原材料成本的15%,以NMC622为例,NMC622成本以25美元/kWh计算,其中30%来自取得及运输、20%为劳力、20%为材料及能源成本,所获毛利剩30%,回收所得到的税前利润(EBIT)则为15%,相当于4美元/kWh,还得加上折旧、销售及行政开支为15%

  废锂电池的回收处理技术是将废锂电池中有用的组成,依据个别的性质把它们分离提取出来,ag九游国际从可得知锂电池之拆解分类后内部之组成与比例。根据Bernardes等人和Xu等人对回收技术的总结了解,整个处理技术可大略分为物理前处理过程、有价金属的提取过程及化学深度处理过程。前处理中以机械分离法在工业化回收中最常采用,直接或者剥离外壳后进行机械粉碎,将塑料以及隔膜等较轻的物质采用风选或者浮选分离,再通过磁选、筛分分离出,完成锂电池中金属材料的收集,以便进入后续的湿法或火法冶金处理过程;由前处理破碎筛选后废锂电池之正极材料中溶解浸出有价金属,之后再分离提取回收其中的有价金属。

  欧洲电池联盟(EBA)为了因应欧盟委员会于2018年要求开发符合欧盟标准的绿色电池,由欧洲研究计画Horizon2020资助,结合欧洲国家之研究机构、锂电池相关业界执行欧盟大规模研究计画BAT-TERY2030+,提出永续电池开发的蓝图。其主要目标是减低二氧化碳排放量,执行策略包括:可自修复之材料设计(Self-Healing)、透过智能大数据开发提高研发效率(BIG、MAP)、更环保的制造程序以及回收与再制造方法。

  其中电池的可循环利用性与可制造性于计画中短程布局三年,致力于开发永续及易拆解之整合型电池设计、电池模组分选与再利用、电池数据收集与分析、自动化电池拆解技术等;中程规划布局六年,针对锂电池活性物质材料分选及回复技术,目标为电池级规格的再生活性物质,并开发可预测模型工具评价再生粉体的二次利用;长程规划布局十年,建立完整的直接回收再利用体系

  整个大计画中包含数据收集、降阶再利用及模组的分选、单只电芯的分选与材料的分选模组。材料的回收可分为三类,包含利用火法/湿法的处理模式取得、转生前驱物材料、再制正极材料,再回到锂电池产业链应用

  为减少能源浪费以及促进循环经济产业发展,大多数电动车OEM厂及储能系统厂仍积极投入开发汰役电池梯次利用,如VW车厂近期声明汰役电池于充电站二次利用之规划,另外还有日产、丰田等车厂近期皆有动力电池循环再利用之规划,承接梯次利用电池的储能系统厂包括:Eaton、ChinaTower、BAKPower、Fortum等

  梯次利用成功因素包含:需开发具规模性且标准化的程序以降低电芯模组重新匹配重组所伴随的成本,且亟需建立新循环模组的设计、整合、认证程序,并尽量采用整个电池模组重新匹配,降低电芯模组拆解成本及费工费时的电芯匹配;

  未来梯次利用也会导向软硬体设备整合,硬体包含混合再生能源系统,例如:太阳能与电池储能,软体服务则包含:工程技术服务、软体升级、充电站服务、租赁服务;电池评价系统的开发也是梯次利用的成功要素之一,透过独特的商业模型依照电池残存电量进行电池评价,另外也有公司提出区域限制的梯次利用,借此降低电池运输的成本

  目前全球车厂、锂电池厂、电池材料厂及独立回收厂的代表主力厂商。中国在政策的积极推动之下已建立起全球仅有的锂电池封闭循环产业链,如单就(BYD)公司便横跨电动车厂、电芯厂,甚至到电池正极厂,串联起专属的锂电池封闭循环;

  格林美(GEM)、华友钴业(HuayouCobalt)、赣锋锂业(GanfengLithium)为主要锂电池材料供应商,掌握全球最大市场占有率,也同时主导锂电池材料循环再利用。

  除了中国以外,全球也逐渐开始出现主导锂电池循环体系的厂商,包括车厂VW、正极材料商Umicore、独立回收商SungEel等,日产也与住友商事合资成立4REnergy带起再利用(Reuse)、再制造(Refabricate)、再出售(Re-sell)、回收(Recycle)之新型商业模式。同时也带起许多新创企业如Li-Cycle、BatteryResourcers、Deusenfeld、RedwoodMaterials致力于研发锂电池前处理及有价金属回复等技术。

  目前主要几家电池回收厂及其回收技术。湿法冶金与火法冶金能够适用任何电池种类,因此能够一次处理大量电池。前者使用大量有机及强酸碱溶剂,废液排放易造成二次污染,仅有回收含钴或镍的电池才具经济效益,代表厂商包括ShenzhenGreen、Re-triev、Recupyl、;后者经由高温热处理产生有毒气体排放,因此需要昂贵空气清净等设备,代表厂商有JX日矿日石金属株式会社、Umicore。近年美国能源部(DOE)建立锂电池回收中心(ReCellCenter)提倡直接回收法(DirectRecycling),属于新颖技术但仍在开发阶段。

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