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日产汽车以及优美科公司动力电池回收之路
发布时间:2018-06-26 16:50  来源:消费品工业研究所  作者:消费品工业研究所

 

电动汽车数量的不断增长引发人们对锂离子动力电池回收与再利用的关注。目前行业内关于电池回收主要包括梯次利用和再生利用两种方式,即先采用梯次利用的方式,最大限度压榨电池的剩余价值,然后再通过相关工艺回收其中的稀有金属。总体而言,梯次利用一般由汽车公司参与实施,再生利用企业多为有色冶金或材料企业转型而来。日产是日本知名的汽车制造商,其全球首款量产纯电动汽车“日产聆风”至今累计销量已超过30万台。比利时的优美科是全球领先的动力锂离子电池正极材料生产企业,也是最早布局锂电池回收循环的企业。日产汽车和优美科分别在动力电池梯次利用和再生利用的研发及应用上积累了大量的发展经验和技术储备,非常值得国内相关企业学习和借鉴。

一、4R概念推动日产汽车实施动力电池梯次利用

(一)发展概况

日产汽车总部设在日本横滨,旗下拥有60多款日产、英菲尼迪及达特桑品牌车型,是一家经营范围覆盖全球的汽车制造商。1999年,日产汽车与法国汽车制造商雷诺成为战略合作伙伴。2016年,日产汽车收购三菱汽车34%的股份。从而,日产汽车、雷诺集团、三菱汽车组成了全球最大的汽车联盟,年度总销量约1000万台。

早在20世纪40年代,借助收购东京电力汽车有限公司生产的电动车Tama EV,日产汽车开始其探索电动车之旅。随后几十年中,日产汽车相继推出日产315X、Prairie Joy EV、Mixim等电动概念车型。2010年,日产汽车推出了全球首款量产纯电动汽车——日产聆风。而今全新日产聆风搭载大容量锂离子电池,一次充电可行驶400公里;快速充电下,40分钟即可充电80%。

(二)打造4R新模式

在发展电动车的过程中,日产汽车注意到动车电池多次充放电后,即使电已经不满足汽车的行驶要求,仍会拥有一定的余能。在“日产聆风”发售前,日产汽车与住友商事株式会社就有关于动力电池的二次利用达成了合作意向。2010年,日产与住友商事株式会社合资成立了4R能源公司。具体而言,4R是指Reuse(再利用:电池容量降到70-80% 时)、Refabricate(再制造:根据需求拆开电池予以重组优化)、Resell(再销售:投入市场再次将电池销售)、Recycle(再循环:电池生命耗竭时进行材料回收)。通过该模式,日产聆风纯电动汽车的废旧电池可以有效地应用于不同的储能场景,从而实现更高效的电池能量循环。

1  4R概念示意图

 

(三)加大梯次利用产品布局

4R能源公司开发了一系列功率为12 kw-96 kw的家用和商用储能产品,它们可以在用电低谷时段存储能量,在用电高峰时段向用户供能或条件允许下向电网供能。这些产品已在各地开始销售。比如2015年7月,日产先进技术中心就启用了由24块日产聆风的动力电池组成的能量存储系统。在欧洲,4R能源公司与跨国动力管理公司伊顿公司联合启动了x Storage Home家庭住宅能源系统的销售。2016年11月,日产和伊顿公司与阿姆斯特丹球场签署了一份十年合约,旨在提供用过的日产聆风电池作为备用电源。

该公司还开发了一套能够快速测量旧电池性能的系统,该系统将应用于从日本国内回收的全部旧电池。在日本浪江町工厂实现回收和再利用后,这些“再生”后的电池会搭载在全球首个使用可更换再生电池的电动汽车上,也将用于大型储能系统和电动叉车。日产汽车宣布从今年5月开始,将为日本地区的日产聆风纯电动汽车车主提供“旧电池更换再生电池”的优惠有偿服务项目。在浪江町,公司还计划安装利用日产聆风车型的废旧电池及太阳能供电的新款立式街灯,其供电将不再依赖于当地的电网。结合4R的先进理念和在梯次利用上的布局,日产汽车及其合资企业4R能源公司不断开发了一系列的锂电池梯次利用品种,逐渐发展为目前商业上最成功的锂电池梯次利用品牌。

二、联合闭环工艺助力优美科转型动力电池再生利用

(一)发展概况

优美科(Umicore)是总部位于比利时的一家全球材料科技和回收集团公司,在布鲁塞尔证券交易所上市,致力于通过开发、生产和回收材料以满足快速变化的世界需求,以及不断为客户探索新的解决方案。公司于1805年在比利时采矿起家。1989年并购了Metallurgie Hoboken-Overpelt、Vieille-Montagne、Mechim等采掘、工程公司,从而成为了综合性工业集团。90年代末,公司逐渐定位自身为特种材料公司,专注于贵金属、锌产品和含钴、锗的先进材料等,并出售了其采矿和其他非战略性业务。集团在2001年更名优美科以展示公司对矿产开采和普通金属生产的剥离。

(二)清洁移动和回收利用的转型

当今世界,日益增加的金属需求使得金属资源逐渐短缺。同时,随着世界各国实施越来越严格的气体排放标准,全球汽车(包括轻载和重载汽车)催化剂发展也迎来巨大机遇。锂离子电池市场的旺盛更带动了对可充电电池材料需求的不断增长。基于上述资源稀缺、空气清洁和汽车电气化的判断,进入新世纪以来优美科不断调整自身定位,完成公司业务转型。

2003年,公司收购PMG,拓展了汽车尾气净化催化业务。2005年,公司分拆其铜业务为Cumerio公司。2007年,将其锌提纯和合金业务与Zinifex的相应业务合并,成立Nyrstar公司。同年,收购Delphi公司汽车尾气净化催化业务,增强了其在汽车催化剂业务的全球领先地位。2017年,其营业额达到123亿欧元,拥有全球59个生产基地,20个研发技术中心和约上万名员工。如今,优美科在两大领域的产品和服务具有极好的增长前景:清洁移动(汽车催化剂和可充电电池材料),以及依靠闭合循环业务模式来回收利用贵金属和特殊材料从而提高资源效率。就后者而言,优美科已成为贵金属及其它金属回收技术的领军者,是全球最大的贵金属回收企业。

(三)开发联合闭环再生利用工艺

在动力电池再生回收方面,优美科公司在欧洲分别与特斯拉和丰田合作,利用比利时安特卫普的霍博肯工厂处理废旧电池。其采用VALEAS工艺回收诸如钴和镍之类的贵金属,年处理废旧电池规模为7000吨(约相当于2.5亿个手机电池、2百万个电动自行车电池或3.5万个电动汽车电池)。

VALEAS工艺包括高温熔炼(超高温技术)和湿法冶炼两个部分(图2)。首先废旧锂离子电池不经过预处理,直接进入到冶炼炉内,通过控制冶炼温度和时间等条件进行高温熔炼。冶炼过程中产生的有毒有害气体会经过后续处理,即用等离子生成器技术,通过净化后排出。同时石墨和有机溶剂燃烧释放出的能量可加以利用。熔炼完毕,得到含硅///锂的炉渣和钴///铁合金颗粒。炉渣能用于建筑等工业领域,当然其中也蕴藏着潜在的锂/锰资源回收可能性,可进一步用于金属回收。而合金通过沥滤逐步回收铜、铁,再用溶剂萃取得到含镍、钴的化合物。后续可转化为镍、钴前驱体,用于合成锂离子动力电池电极材料。

2 优美科处理废旧锂离子电池工艺流程

 

该工艺不对单体电池进行破坏,避免了电池内部挥发性物质带来的污染;充分利用了含铝外壳、负极石墨碳素及隔膜塑料等材料的还原性与蕴含的能量,实现了其中有毒/有害物质的集中无害化处置,并产出环境友好固体废渣;且避免了复杂的机械拆解与物理分选,对各种废旧电池具有通用的效果。这种结合超高温熔炼和湿法冶炼的联合工艺成功实现了对钴、镍等金属的闭合循环利用。经过回收处理的金属元素可转化为高品质的锂离子电池电极材料,从而创造了优美科在动力电池再生利用上的优质品牌。

三、对我国动力电池回收行业的启示

(一)未雨绸缪,更新企业理念

日产汽车早在其商用车“日产聆风”的发售前,就已构建了废旧动力电池梯次利用的计划,提出4R概念,并成立相关合资企业。优美科在锂离子电池材料的生产和回收上广泛布局,从而形成了闭合循环业务模式以提高资源的利用效率。当今电动汽车市场蓬勃发展,动力电池大规模退役潮即将来临。我国企业不应盲目扩充产能以抢占新能源电动车市场,而要基于整个产业链的良性循环以打造高品质的发展,不然会在快速变化的市场需求和越发严格的政策约束下失掉企业发展先机。

(二)不断布局,扩充梯次利用产品线

在废旧动力电池梯次利用的研究中,日产汽车及其合资企业4R能源公司先后开发了一系列家用和商用储能产品,将其应用到住房、大厦、球场和街道等场所;并将开展“旧电池更换再生电池”项目,将再生后的动力电池再次应用于电动汽车。我国相关企业应秉承“早研发、早受益”的精神,不断试点废旧动力电池的梯次利用可能性,发展壮大梯次利用市常

(三)开发联合工艺,提高回收品质,实现闭环再生利用

现今主流的电池再生利用技术包括火法和湿法冶炼两种。回收处理的流程基本上由预处理、分离处理、回收处理、分离纯化和再利用过程组成。火法-湿法联合工艺因结合各自优点而倍受关注。优美科的VAL EAS工艺包括超高温熔炼和湿法冶炼两个部分,具备操作简单、污染少、经济性好等优点。我国企业在再生利用技术的研究上,应该平衡好安全性、经济性和资源回收率等要求,开发出切合实际应用的先进回收工艺。

(四)梯次利用和再生利用协同发展

动力电池回收是一个大难题,材料制备企业、电池生产企业、汽车企业、消费群体、电池回收企业都是这个庞大生态圈不可缺少的组成。当前国外一般由汽车公司参与实施梯次利用,有色冶金企业或材料企业转型再生利用。不同参与者在加强自身的同时,要有开放意识,主动去寻求合作,在多方分工协作中提高整个动力电池回收效益。

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