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专利助力锂电池回收变废为宝

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2019-11-1208:37  来源:中国知识产权报
 
原标题:专利助力锂电池回收变废为宝

  近年来,随着新能源汽车行业的迅猛发展,作为动力电池的锂电池的生产量也呈现井喷式增长。锂电池的寿命约5年至7年,由此也孕育着巨大的锂电池回收市场。据中商产业研究院报告显示,我国从废旧锂电池中回收钴、镍、锰、锂、铁和铝等金属所创造的市场规模预计在2020年将超过100亿元,2023年可达250亿元。

  从市场上看,目前广泛应用的锂电池,主要是锂离子电池,根据正极材料的不同可划分为锰酸锂电池、钴酸锂电池、磷酸铁锂电池、三元锂电池。对于不同种类的锂电池,所采用的回收方式是存在差异的,如磷酸铁锂电池含有的金属仅为锂,虽然直接回收锂的价值不高,但是其循环性能和稳定性较好,可以先采用梯度利用的方式充分利用之后再进行报废回收;而三元锂电池含有镍、钴、锰等高价值金属,但是循环性和安全性较差,不适用于梯度利用,而可直接报废处理进行资源化转化。本文基于专利文献的分析,探究废旧锂电池回收利用的发展,以期为相关企业提供参考。

  国外起步早 核心技术多

  锂离子电池诞生于20世纪70年代,进入上世纪90年代后才开始商用。由于早期锂电池主要是以纽扣等小型电池的方式使用且使用量较少,回收价值较低,回收方式与其它电池类似,进行物理拆解后采用酸等提取。因此,在这一阶段,关于锂电池回收的专利申请较少,全球年专利申请量在20件左右,主要采用湿法冶金提取高价值金属。

  2009年以后,随着电动汽车和电子产品的大量使用,锂电池的使用量呈现剧增态势,与锂电池回收相关的年专利申请量也增至近百件。日本的住友金属、日矿金属、丰田,比利时的优美科,德国的默克,韩国的地质资源研究院以及包括中国在内的全球主要锂电池市场的多家企业纷纷投身于锂电池回收利用的研究,相关专利申请涉及废弃锂电池的前处理、正极材料的分离、有价值金属的提取、电解液处理等锂电池回收的各个环节。

  不同企业的电池回收技术是不同的,以日本住友金属为例,作为特斯拉和丰田汽车电池的正极材料供应商,其早期主要采用高温焙烧结合粉碎、筛选等干法冶金方式回收锂电池电极中的镍、钴。不过,由于这种处理能耗较高且不易于回收锂、铝等金属,因此住友金属开始采用湿法处理方式回收锂,并对提取剂进行了研究。而另一家日本企业,日矿金属主要对湿法冶金进行研究,采用溶剂提取将锂电池废料中的镍、钴、锰、铜、铁、铝以及锂等进行高效分离回收。

  2013年以后,国外企业的相关研究更倾向于提高电池回收利用过程中的环保性和经济性,如采用低毒甚至无毒溶剂、简化回收工艺以及对含氟电解液的处理,回收技术上并未出现明显的突破性进展。在产业上,电池回收企业与下游电池应用企业在电池回收方面的合作得到不断加强,例如住友金属与丰田,优美科与宝马、奥迪等国际车企达成电池回收的战略合作,促进电池材料回收的闭环运行,并且优美科等国外企业也已经开始在中国进行产业布局。

  国内起步晚 专利增长快

  国内关于锂离子电池回收的专利申请从2001年开始提交,总体而言,呈逐年增加态势,其中2001年至2008年间,我国相关专利申请总量较少,2009年以后相关专利申请量增幅较大,由原来的年专利申请量40多件迅速增长至400多件,且目前仍处于较快增长阶段。由此可见,国内关于锂电池回收的专利申请虽然较晚,但是发展趋势与国外基本一致。

  与国外企业不同的是,我国企业在新能源汽车动力电池方面,前期主要以磷酸铁锂为主,相关专利布局主要集中在湿法冶金对废弃锂电池进行回收利用方面,而对于干法冶金、电池的放电和拆解等前处理工艺以及电解液的回收利用涉及的专利相对较少。值得注意的是,尽管国内企业的相关专利申请总量较多,但申请人的平均专利申请量较低,并且相关专利申请集中于国内,缺乏对国际市场布局的意识。

  随着国内企业更加追求环保低碳以及可持续发展,企业对于具有重复利用价值的锂电池材料的回收研究意识不断提高,如合肥国轩高科、格林美、邦普循环、天齐锂业、比亚迪等众多国内企业均涉及相关技术研发。值得一提的是,高校和科研院所在相关领域的专利申请数量多于企业,如中南大学、中国科学院过程工程研究所、南开大学、清华大学等。与国外企业相比,我国企业和科研院所联合研发并提交专利申请的数量较少,这在一定程度上反映出两者研究方向的差异以及合作方面的不足,未来有待于进一步加强企业和科研院所联合技术研发。

  在产业上,我国业已出现了一些电池回收企业与应用企业的合作,并加快该领域技术的推广应用,如邦普循环与宁德时代、合肥国轩高科与甘肃金川,但同时也应注意到,国内锂电池回收真正的发展高峰期尚未到来,大部分国内企业仍处于起步阶段,技术水平和产业化程度较低。笔者认为,由于磷酸铁锂电池不含镍、钴、锰等高价值金属,单纯回收铁、锂元素的经济效益不高,而目前从事锂电池回收研究的企业众多,产业规模普遍较小,技术力量薄弱,因此在锂电池回收市场尚未爆发之前,如何增强自身竞争力,提高回收效益,使企业生存下来可能将成为国内相关企业面临的首要问题。

  综上所述,无论是从产业成长,还是从锂电池回收技术进展来看,全球锂电池的回收利用尚处于初级阶段,而随着废旧锂电池的增加以及相关政策的推动,锂电池回收在未来几年必然会出现迅猛发展。同时,中国作为全球最大的锂电池消费市场,吸引越来越多的国外企业参与进来,市场竞争将日益激烈。

  笔者建议,面对日益加剧的市场竞争,国内相关企业应当未雨绸缪,苦练内功,提升自身综合实力。在技术方面,首先,提高回收废弃锂电池直接再生利用的能力,简化回收工艺,降低废旧电池的回收成本;其次,可以通过加强与高校、科研院所的技术联合,提高有价值金属回收率和再生产品性能,从而促进锂电池回收利用经济效益的提升,同时加快对于三元锂电池回收技术的研究,提前布局三元锂电池回收利用。而在产业方面,需要深化与下游应用企业之间的合作,拉近与再生材料目标市场的距离,完善废旧锂电池材料的回收再利用机制,构建锂离子电池从研发生产、应用到回收的闭环产业链,另外可以拓展电池回收材料的应用领域,提高回收废弃电池的利用价值。(张德强 任莹莹)

(责编:林露、吕骞)

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