动力电池研发需考虑综合性能 绿色回收迫在眉睫

我国新能源汽车产业的跨越式增长,促进了动力电池技术高速发展,随之而来的动力电池退役问题,引发各方关注。8月1日,《新能源汽车动力蓄电池回收利用溯源管理暂行规定》(简称《回收溯源规定》)将正式实施,强调落实生产者责任延伸制度,要求汽车生产企业承担动力蓄电池回收的主体责任。这一规定为避免来资源浪费和环境污染带来福音。

中国工程院院士、北京理工大学绿色能源研究所所长吴锋在接受记者采访时表示,发展锂电产业,需要同时做好先进电池技术研发与锂资源高效利用。对于动力电池回收,应尽量采用绿色回收技术,避免对环境造成二次污染。

前沿突破需多方共进

早在2000年我国电动汽车项目启动之初,时任科技部部长徐冠华曾指出,电动汽车的关键是电池。目前锂电池已成为各方关注的热点。在吴锋看来,锂离子电池由于具有比能量大、循环寿命长、安全性能好、可快速充放电等优点,使得相关技术及关键材料,成为当前国际竞相研发的热点,并成为新一代信息通讯(5G)、电动汽车、储能电站与国防安全等重大应用的关键环节。最近有报道称,美国宇航局(NASA)正在研发的X-57纯电动飞机项目已经进行3年时间,即将实现首航,实现空中零排放,以后的商用化更需要电池技术的突破发展。

我国新能源汽车补贴已呈现去补贴化的态势。今年财政部、工信部、科技部、发展改革委联合发布了《关于调整完善新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》,纯电动乘用车的补贴开始退坡,并进一步提高了对动力电池能量密度的要求。吴锋认为,动力电池和新能源汽车的发展必须要力争满足市场的发展需求。国家此举意在鼓励高能量密度电池的发展,以实现新能源汽车更长的续航里程,满足市场的进一步需求。2020年补贴即将取消,当务之急是想办法让电池和新能源汽车更好地适应市场的发展和需求。

自“十三五”以来,动力电池能量密度指标的发展趋势越来越高。2015年动力锂离子电池能量密度指标为电芯120~180 瓦时/公斤,材料体系主要是磷酸铁锂—石墨、三元材料—石墨。从近期来看,2020年新一代动力锂离子电池能量密度指标是:富锂材料-硅碳负极体系电芯为300 瓦时/公斤。从中远期来看,中期(2025年)要实现400瓦时/公斤,远期(2030年)要实现500瓦时/公斤。近年来,电池关键材料和技术进步显著,但仍有提升的空间。这里指的是综合性能的提升空间,包括电池的安全性、能量密度、功率密度、寿命、成本等。只有电池综合性能提升了,才能更好地满足新能源汽车市场的发展。

从技术角度来看,锂离子电池单纯的要做高比能量应该可以做到,但要做到高指标的产业化就很难,因为要考虑各种条件的约束。吴锋认为,采用三元正极材料和硅碳负极材料,可制备出能量密度319瓦时/公斤的高比能锂离子电池。但动力锂离子电池能量密度的提高,除与正负极材料相关外,对所采用电解液的要求也越来越高,锂离子电池的危险性其中一个来源在于电解液。

为此,在看清动力电池重要性的同时,也要斟酌一些产业化指标的实现途径。尤其是作为关键指标的电池能量密度,如何在提升比能量的同时兼顾安全性、循环性、倍率等指标,这需要企业在进行技术创新和研发过程中有所侧重。

实际上,目前高比能量电池研究是行业最前沿技术。吴锋正在主持的国家973锂离子电池研究项目,从2002年开始到现在已经历三期。该项目主要研究思路是,从“轻元素、多电子反应”材料入手,结合多离子效应,发展高活性电极材料,构建高比能二次电池新体系。

回收环节需要绿色技术

目前二次电池产量急剧上升,已渗透到国民经济和人民生活的各个领域,电池对社会产生了巨大的环境和资源压力。研究显示,1个20克的手机电池可污染3个标准游泳池容积的水;若废弃在土地上,可使1平方公里土地污染50年左右。在吴锋看来,如果是几吨重的电动汽车动力电池废弃在自然环境中,大量重金属及化学物质进入大自然,将会对环境造成很大的污染。正是因为存在大量潜在的污染隐患,动力电池行业必须要加快完善回收处理机制的脚步。

动力电池回收工作越来越得到重视。在全球范围,吴锋的预测是,到2020年全球废旧锂电池的数量约为250亿只。对环境的负面影响将日趋严重,锂资源也将日渐匮乏,动力电池回收已经迫在眉睫。在这样的背景下,《回收溯源规定》8月1日即将落地可谓应运而生。

动力锂离子电池的一般使用寿命约20年,但一般容量衰减至80%以下就会退役,使用时间约为3~8年。作为全球最大的新能源汽车市场,在研发废旧锂电池回收技术上,吴锋认为应该集合全产业之力,实现重点环节逐个突破。动力电池回收牵扯到环境问题也牵扯到成本问题。毕竟,锂资源和钴资源都是不可再生资源,因此废旧电池材料回收和资源化再生具有重要的经济和社会效益。以日本为例,其通过废旧金属回收,每年回收的金的产量超过世界最富产的南非,银的产量超过世界最富产的波兰。

在回收技术方面,目前国内外使用较多的是强酸的工艺技术,难以避免了强酸回收处理中的二次污染。吴锋团队采用了环境消耗天然有机酸的回收技术,和国外目前采用的强酸、硫酸、硝酸相比,处理过程是绿色的,在萃取率和萃取时间方面都优于强酸的水平,实现了废旧锂离子电池的绿色高效回收。

对于正极材料,原来是采用天然有机酸(柠檬酸、苹果酸、抗坏血酸等)对废旧电池中的金属离子进行回收处理,锂离子和钴离子萃取率均在90%以上。最近采用的天然琥珀酸,萃取率由原来的94%提高到99%,萃取出来的电池材料也达到了要求,可以制备出合格的正极材料。

对于负极材料,原来大家的思路是觉得回收碳负极不划算,北理工团队的思路是通过废旧锂电池负极回收,研究如何制备碳吸附剂,用于高磷的污水处理。目前磷吸附量高达588μg/g,是目前最高的碳类吸附剂之一,且处理污水后的吸附剂还可以直接作为土壤缓释肥使用。

在吴锋看来,新型绿色二次电池的发展,起源于二次电池固体电解质材料和镍氢电池储氢材料的研究,依赖于关键材料技术的创新和进步。其带领的团队由北京理工大学、武汉大学、清华大学等多家单位的专家组成,从2002年至今已经合作16年之久。多年来的一个经验感悟就是:创新不是炒作,不能急功近利,否则就会昙花一现;产业发展取决于市场,不能揠苗助长,否则就会是过眼云烟。