机械行业一周解一惑系列：退役动力电池回收放量时点将至

本周关注：欧科亿、郑煤机、奥特维、联赢激光 国内新能源汽车行业高速发展，动力电池装机量加速走高。根据中国汽车工业协会的数据，近年来我国新能源汽车销量高速增长，由2017年的76.78万辆增长至2021年的350.72万辆，CAGR为46.19%，乘联会预计2022年国内新能源汽车批发销量为649万辆，同比增长96%。新能源汽车销量高增下动力电池装机量随之攀升，2017年-2021年，我国动力电池装机量由36.4GWh提升至154.5GWh，复合增速达43.53%，根据乘联会的数据，2022年11月新能源汽车动力电池装机量累计值达221.6GWh，同比增长92.3%。 新能源车动力电池理论寿命4-8年，退役动力电池回收放量临界点将至。 三元锂电池组的理论寿命约为1500-2000次循环，但实际应用过程中，主流的电池厂家在其生产的三元电芯规格书中一般承诺循环次数大于500次（标准条件下充放电），考虑到电芯组合成电池包之后的一致性问题（不同电芯直接电压与电阻存在差异），三元锂电电池包实际循环寿命约为400次，假设实际使用过程中每三天需要完成一次充放电，则三元锂电池使用寿命约为4年。磷酸铁锂动力电池循环寿命达到2000次以上，在标准充电(5小时率)使用，理论寿命可达7-8年。考虑到新能源车动力电池4-8的使用寿命，我们预计2017年前后国内大规模装机的新能源车动力电池将在2023年迎来回收放量期。 国家多部门出台相关政策，支持动力电池回收行业良性发展。2014年以来，工信部、发改委、生态环境部等多部门相继出台相关政策引导与支持新能源车动力电池回收行业的发展，制定行业的目标规划和规范要求，推进废旧动力电池在备电、充换电等领域安全梯次应用，鼓励商业模式创新，强化产业链上下游对接，引导各方高质量推进回收体系建设。 对退役动力电池的回收再利用主要分为两个类型：1）对能力衰减程度较轻的退役电池梯次利用；2）对无法进行梯次利用的电池进行拆解并回收其中的锂、镍、钴、锰等材料。废旧电池梯次利用指的是在动力电池达到设计使用寿命时，通过修复、改造或再制造的方式再次利用，一般是同级或降级使用。废旧电池拆解回收指的是通过物理、化学或生物途径对废旧电池拆解并回收其中的可利用资源。 由于不同动力电池之间销售方式、使用形式、归属权存在不同，动力电池回收行业存在不同的参与主体以及回收路径。国内目前动力电池回收领域主要参与者包括电池生产商、整车企业以及第三方回收企业，与之相对应也衍生出三种动力电池回收商业模式。（1）整车企业牵头的动力电池回收主要是通过组建产业联盟建立回收主体。其优势在于回收渠道广、技术专业性强，同时通过产业链各环节协同合作，能够有效减少恶性竞争，降低材料回收成本，提升回收效率和运营效率，但也需要共担风险（2）电池生产商回收退役动力电池的模式。以宁德时代为代表，通过兴建工厂、企业合作的方式参与退役动力电池的回收。（3）第三方回收企业通过自建回收网络实现电池回收及资源利用的模式。一般由电池生产商或汽车制造商委托，其优势在于回收工艺高度成熟，专业性强。 风险提示：1）政策支持不及预期的风险。2）行业竞争加剧的风险。3）技术更新迭代的风险。 1新能源汽车行业高速发展，催生动力电池回收需求 1.1新能源汽车销量增长带来动力电池装机量提升 国内新能源汽车行业高速发展，动力电池装机量加速走高。根据中国汽车工业协会的数据，近年来我国新能源汽车销量高速增长，由2017年的76.78万辆增长至2021年的350.72万辆，CAGR为46.19%，乘联会预计2022年国内新能源汽车批发销量为649万辆，同比增长96%。新能源汽车销量高增下动力电池装机量随之攀升，2017年-2021年，我国动力电池装机量由36.4GWh提升至154.5GWh，复合增速达43.53%，根据乘联会的数据，2022年11月新能源汽车动力电池装机量累计值达221.6GWh，同比增长92.3%。 图1：2017-2021年国内新能源汽车销量 图2：2017-2021年国内动力电池装机量 动力电池装机分结构来看，三元锂电池装机量由2017年的16.1GWh提升至2021年的74.4GWh，磷酸铁锂电池由2017年的17.9GWh提升至2021年的79.8GWh。 图3：2017-2021年国内三元锂电池装机量 图4：2017-2021年国内磷酸铁锂电池装机量 1.2退役动力电池回收放量临界点将至 新能源车动力电池理论寿命4-8年，退役动力电池回收放量临界点将至。三元锂电池组的理论寿命约为1500-2000次循环，但实际应用过程中，主流的电池厂家在其生产的三元电芯规格书中一般承诺循环次数大于500次（标准条件下充放电），考虑到电芯组合成电池包之后的一致性问题（不同电芯直接电压与电阻存在差异），三元锂电电池包实际循环寿命约为400次，假设实际使用过程中每三天需要完成一次充放电，则三元锂电池使用寿命约为4年。磷酸铁锂动力电池循环寿命达到2000次以上，标准充电(5小时率)使用下理论寿命可达7-8年。考虑到新能源车动力电池4-8的使用寿命，我们预计2017年前后国内大规模装机的新能源车动力电池将在2023年迎来回收放量期。 图5：不同技术路线锂电池特性 根据赛迪顾问的数据，中国自2018年开始进入动力电池退役期，2018年退役量达7.0GWh，到2020年有25.6GWh的动力蓄电池退役，预计2025年动力蓄电池退役将达174.2GWh（约200万吨），复合增长率将达到58.2%。 图6：2018-2025年国内动力电池退役量趋势图 2政策助推下退役动力电池回收行业有望良性发展 国家多部门出台相关政策，支持动力电池回收行业良性发展。2014年以来，工信部、发改委、生态环境部等多部门相继出台相关政策引导与支持新能源车动力电池回收行业的发展，制定行业的目标规划和规范要求，推进废旧动力电池在备电、充换电等领域安全梯次应用，鼓励商业模式创新，强化产业链上下游对接，引导各方高质量推进回收体系建设。 表1：退役动力电池回收行业支持政策梳理 3退役动力电池回收的主要工艺 对动力电池的回收再利用主要分为两种模式：1）对能力衰减程度较轻的退役电池梯次利用；2）对无法进行梯次利用的电池进行拆解并回收其中的锂、镍、钴、锰等材料。废旧电池梯次利用指的是在动力电池达到设计使用寿命时，通过修复、改造或再制造的方式再次利用，一般是同级或降级使用。废旧电池拆解回收指的是通过物理、化学或生物途径对废旧电池拆解并回收其中的可利用资源。 图7：退役动力电池回收过程 3.1退役动力电池阶梯利用 退役动力电池的梯次利用一般包含几个步骤：1）动力电池回收拆解以获取电芯。由于不同车型PACK之间设计存在差异，通常需要使用柔性化产线进行分段细化以提高作业效率。2）筛选出可继续使用的电芯。为了尽可能发挥退役动力电池的剩余容量，需要综合衡量电芯的性能、运行工况。动力电池通常以电池包的形式回收利用，但长期使用过程中，电池包内部分电池可能遭受物理性损坏发生形变破损或产生不可逆化学性损害如电解液分解产气电极结构坍塌等，因此经过初选之后的电池需要经过SOH及性能检测才能进行梯次利用。3）电芯配对组成电池组。需要根据材料体系、容量、内阻、剩余循环寿命等参数进行分组，核心在于分组参数设定，若模组离散性大，成组为系统之后对性能和寿命影响较大，分组过于严格则会导致可匹配模组少，系统集成困难，产能成本上升。4）系统的集成与运行维护，需要确保BMS的硬件归一化设计能够兼容不同模组。 图8：废旧电池梯次利用处理流程 梯次利用属于轻度报废，主要针对电池容量降低至80%以下的电池，无法二次应用于新能源汽车上。依据电池容量的衰减程度可将动力电池划分为不同利用阶段并应用于不同场景。1）电池包使用阶段：电池容量大于或等于80%，即动力电池满足电动汽车使用要求，做为正常能源电池在车中被使用。2）电池组梯次利用阶段：电池使用容量处于60%-80%，可以选择梯次利用或者包装再造，前者可应用于储能、通信基站、太阳能、低速电动车等。3）单体电池梯次利用：可用容量衰减至20%-60%，则由专业厂家回收拆解成单体电池，以串、并联的方式以多种组合形式再配组。重组后电池主要使用在用户侧/微电网。4）第四阶段：当可用容量衰减至20%以下，此时电池已经可以进行报废处理，仅需提炼回收电池内部部分零件及稀有化学成分，回收金属元素。 图9：动力电池梯次利用图 但目前退役电池梯次利用在实际中还存在许多技术难点：1）如何在保证安全性、一致性、稳定性的情况下对退役电池进行精准检测以获取真实的剩余电池容量及循环次数；2）退役电池筛选基础性技术应用成本较高，难以大规模、高效筛选；3）筛选出来的可利用退役电池一致性较差。 3.2退役动力电池拆解利用 退役动力电池拆解利用过程可分为预处理、二次处理以及深度处理三个主要步骤。1）预处理：由于废旧电池中仍残存部分电量且锂电池受挤压后容易升温爆炸，因此首先需要对废旧电池进行深度放电，其次再进行破碎、物理分选，放电主要有两种方式，一是通过电阻放电，二是通过盐水浸泡的方式；2）二次处理：主要是物理分离过程。3）深度处理可分为干法回收、湿法回收及生物回收。 干法回收由于碳排放较高或分解效率低，应用较少，生物回收受限于技术尚未大规模应用，目前国内多采用湿法回收工艺。 图10：动力电池拆解预处理技术 干法回收技术是指不通过溶液等媒介直接实现动力电池材料及有价金属的回收方法，包括高温分热解法及机械分选法。1）高温分解法是通过高温焚烧的方式去除退役电池电极材料中的有机粘合剂使得材料分离，同时在高温作用下，退役电池内部的金属会氧化、还原并分解，形成蒸汽挥发，从而可以通过冷凝的方式回收低沸点的金属及其化合物，再通过筛分、热解、磁选等方式对炉渣中的金属进行回收。高温分解法原理简单，设备容易实现，但缺点在于能量消耗大，成本较高，且在回收过程容易产生有害气体。2）机械分选法是指将退役电池拆解分离之后利用不同组分之间物理性质的不同，对退役电池外壳、集流体及活性物质进行破碎、筛选、磁选分离、精细粉碎机分类以实现不同金属物的初步回收分离。但由于退役电池的结构致密，不同组分直接粘合紧密，很难做到完全解体和破碎，因而存在机械夹带损失，很难实现有价金属的完全分离回收。 图11：退役电池高温热解流程 湿法回收工艺是通过使用溶液为介质，对破碎后的退役电池电极材料中的目标组分进行溶剂萃取、化学沉积、电解沉积，使其以化合物或金属态的形式被回收。湿法回升工艺的原理是以各种酸碱性溶液为转移媒介，将金属离子从电极材料中转移到浸出液中，再通过离子交换、沉淀、吸附等手段，将金属离子以盐、氧化物等形式从溶液中提取出来。从工艺的角度，湿法回收流程长，工艺复杂，但对锂、钴镍等有价金属的回收效率高，且处理设备投资成本较低，因而被大规模使用。 湿法回收的主要流程包括预处理、浸出以及纯化。在预处理过程中，产业内一般适用低温液氮穿孔、盐溶液浸泡等方式进行放电。浸出过程主要是通过将材料放置于无机酸溶液浸泡使材料转换为液相从而实现有价金属的富集。纯化过程主要是化学沉淀机化学萃取的等步骤，从镍锂混合物中萃取出的碳酸锂、硫酸镍，钴、锰的混合液体进行结晶沉淀。 使用湿法冶炼回收退役电池，能够较大程度回收退役电池金属组分，且具备较高的回收率及纯度，但因为工艺流程较长，成本较高，且化学试剂的大量使用会造成污染。 图12：退役动力电池湿法回收流程 4退役动力电池回收的商业模式 由于不同动力电池之间销售方式、使用形式、归属权存在不同，动力电池回收行业存在不同的参与主体以及回收路径。国内目前动力电池回收领域主要参与者包括电池生产商、整车企业以及第三方回收企业，与之相对应也衍生出三种动力电池回收商业模式。 （1）整车企业牵头的动力电池回收主要是通过组建产业联盟建立回收主体。 其优势在于回收渠道广，且技术专业性强，同时通过产业链各环节协同合作，能够有效减少恶性竞争，降低材