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电动汽车和固定储能用锂离子电池的循环经济(二):驱动因素、障碍和促成因素

作者:刘伯洵 来源:中国储能网 发布时间:2021-07-20 浏览:
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1.简介  

研究表明,全球锂离子电池市场规模持续增长,以应对电动汽车(EV)和储能市场需求的增长。根据调研机构Wood MacKenzie公司的调查,从2013年到2020年,美国累计部署的储能系统的总装机容量约为1,600MW,其中锂离子电池储能系统占市场总份额的99%。而从2011年到2020年,美国电动汽车累计销量达到约140万辆,其中锂离子电池占据了大部分市场份额。  

专注于电网弹性和零排放能源生产和运输的美国各州和联邦政策将继续推动对电动汽车和电池储能系统的锂离子电池的需求。美国储能市场部署的电池储能系统将从2013年的523MW增长到2025年的7.3GW。美国电动汽车市场预计也将继续快速增长,预计到2025年,美国的电动汽车年销量将达到110万辆,到2030年将达到每年400万辆,而到2030年美国将拥有1600万辆电动汽车,到2035年将达到4600万辆。预计到2035年,锂离子电池将继续主导用于电动汽车和电池储能系统的全球市场份额,因此锂离子电池储能系统成为这份调查报告的重点。

图1 锂离子电池的循环经济

2.锂离子电池循环经济的驱动因素、障碍和促成因素

如今,美国的电池储能系统供应链被描述为一种线性经济模型。很少有电动汽车和储能系统制造商(例如福特、通用汽车和特斯拉)投资于延长电池产品耐用性的设计,或锂离子电池的再利用/回收设计。目前只有一家美国制造商实施了回收计划以回收锂离子电池材料。而在调查中,没有发现任何证据表明美国电池储能系统制造商正在投资于锂离子电池的再利用/回收设计,以及对废旧电动汽车电池再制造和再利用(例如电动汽车充电站和储能系统)的研发试点项目的商业规模投资。此外,只有少数第三方公司回收锂离子电池,只有少数翻新和/或转售锂离子电池用于二次使用的美国第三方公司。大多数提供锂离子电池回收服务的公司并不在美国本土处理电池。与其相反,将循环原则纳入电池储能系统供应链的努力主要是由美国政府资助的政府举措和试点项目推动的,这些举措和试点项目侧重于电池回收和二次使用电动汽车电池。  

在本节中,将讨论美国锂离子电池循环经济的驱动因素、障碍和潜在促成因素。除了进行基于各种文献的研究之外,美国国家能源部可再生能源实验室(NREL)还与电池储能行业专家进行了交流和互动,以确定可能推动或阻碍美国重新使用/回收大型锂离子电池的因素。这些利益相关者之前互动还为潜在的解决方案提供了信息,这些解决方案可能会在美国实现大规模锂离子电池的重用/回收。  

2.1驱动因素  

某些机会和好处可能会推动美国锂离子电池的循环经济发展。在本节中,将讨论可能推动材料管理决策和行为的经济、环境和安全机会和收益,从而促进将循环原则整合到电池储能系统的价值和供应链中。表1总结了这些驱动因素。

表1. 锂离子电池循环经济的驱动因素

2.1.1经济驱动因素  

新的和扩大的市场机会、创造就业机会,以及供应链稳定性和资源安全可能会推动美国联邦、各州和地方政府对锂离子电池循环经济的投资。成本节约、利润增加和竞争力增强可能会推动在产品、服务和工艺创新以及锂离子电池的再利用/回收方面的私人投资。本节讨论其中一些经济驱动因素。  

2.1.1.1再利用  

锂离子电池的再利用可能会为行业利益相关者创造经济效益,并在美国创造新的和扩大的市场机会和就业机会。行业专家观察到,退役的电动汽车锂离子电池的容量通常保持其原始容量的80%,可用于需要较少充放电循环的二次电动汽车和电池储能系统的应用。而在研发和试点项目阶段,来自电动汽车的锂离子电池可以用于商业和工业规模固定电池储能系统以及住宅、微电网和备用电源应用中。例如,丰田和通用汽车正在探索将电动汽车电池用于固定电池储能系统中。此外,来自电动汽车的锂电池也可以翻新,并重新用于其他需要较少电池循环的汽车和电池应用(例如无人机和叉车)  

从锂离子电池中获得额外的服务和收入会增加电池储能系统系统的总生命周期价值,并且其成本可以由主要和次要用户分担。锂离子电池储能制造商和系统所有者可以通过销售或捐赠二次使用的电池单体或电池模块获得经济利益。虽然目前主要是理论上的,但储能系统所有者可以出售用过的锂离子电池以产生收入或捐赠锂离子电池用于慈善用途并获得税收抵免。电池储能制造商也发现,出售或捐赠使用过的锂离子电池以符合自愿性行业标准或提升其企业责任形象是有利的。从事环境可持续商业实践(例如再利用)的企业可能会反过来提高消费者对二次使用电池产品的信心及其在市场中的整体竞争力。  

在二次应用中出售用于修复和再利用的二次锂离子电池也可能为美国新的和扩大的电池储能市场和创造就业机会提供机会。例如,用于固定用途的低成本二次锂离子电池的销售可以进一步增加固定电池储能系统的部署,并可能有助于进入传统上服务不足的市场参与者,例如中低收入社区。此外,汽车拆解商、制造商、维修店和机械师等行业利益相关者可以扩大服务范围,包括维修和销售退役锂离子电池以供再利用。还有一些提供重复使用的电池产品和服务的公司,这些公司将提供一系列服务,包括二次电池的收集、运输、拆卸;用于识别电池化学成分的诊断和筛选测试;维修、翻新、重新组装、安装和转售。  

2.1.1.2回收  

回收锂离子电池和生产废料可为行业利益相关者创造经济效益,并在美国创造新的和扩大的电池储能市场机会和创造就业机会。回收锂离子电池和制造废料可以回收高价值材料,这些材料可以出售到商品市场或用于生产新的锂离子电池。回收锂离子电池和制造废料可以从电池的阴极、电解质、黑色物质和阳极部分回收有价值的材料,例如钴、镍、铁、石墨、锂和锰。这些材料的回收也可能为美国制造业提供增长机会,并有助于满足国内需求。一项估计发现,

疫情之后的经济复苏也可能为美国制造业的增长提供机会,这有助于满足国内需求。一项研究表明,全球锂离子电池回收市场规模在2019年达到约15亿美元,预计到2030年将增长到181亿美元。  

锂离子电池制造商、储能系统所有者、第三方回收商和其他行业利益相关者可以从回收锂离子电池中获得经济利益。电池储能系统制造商可以通过重复使用从客户保修退货、制造废料和其他退役锂电池中回收的电池材料,并降低生产成本。一项调查发现,当使用回收的正极材料时,锂离子电池电池的制造成本可降低5%至30%。回收材料的再利用还降低了生产成本和对进口电池的依赖,并将降低初级市场上锂离子电池的成本。储能系统所有者和第三方回收商也可以通过向商品市场出售回收材料来创收。与上述再利用讨论的内容类似,储能系统所有者和锂离子电池制造商可能会发现回收锂电池以符合自愿性行业标准或提升其企业责任形象是有利的。从事回收等环境可持续业务的企业反过来可能会增加消费者的信任度和他们在市场上的整体竞争力。  

锂离子电池的资源回收也为美国新的和扩大的电池储能系统市场提供了机会。第三方回收公司和生命周期管理公司可以提供服务,例如处理和运输锂离子电池以进行资源回收。例如,总部位于密歇根州的Sybesma公司扩大了业务范围,以提供电动汽车电池翻新、维修和回收服务。Spiers公司等新的市场进入者也将不断在涌现,以提供回收服务或逆向物流服务来管理退役的锂离子电池。  

2.1.2、环境驱动因素  

环境驱动因素(例如减少负面环境影响和减少资源限制)可能会鼓励美国联邦、各州和地方政府投资以及私人投资,以促进美国锂电池的循环经济。以下讨论其中一些环境驱动因素。  

锂离子电池的再利用/回收具有近期和未来的环境效益。锂离子电池的二次使用可以减少可重复使用产品的处置,而基于回收的锂离子电池资源回收可以从垃圾填埋场获取有价值的材料,例如镍和铁。例如在2019年,从制造废料中回收的镍和使用过的镍产品占美国用于满足国内需求的镍供应量的47%。此外,锂离子电池和制造废料的再利用/回收可以缓解资源限制以及美国对钴、石墨、锂和锰等关键矿物的需求。美国内政部将钴、石墨、锂和锰归类为关键矿物,这些矿物对美国经济和国家安全至关重要,因为它们在产品制造中必不可少,包括用于电池储能系统的锂离子电池。

根据世界银行集团的估计,到2050年,对锂离子电池储能系统中使用的关键矿物的需求可能将增加500%,以支持可再生能源发电量的增长。这些关键矿物的成本会因资源有限和供应链中断而上涨,这通常是由于生产地区的政治不稳定造成的:如果目前的趋势持续下去,专家预计锂离子电池中的镍将在5~6年内出现短缺。从锂离子电池中再利用/回收镍有助于建立强劲的国内供应并减少对进口的依赖,这可能有助于保护美国免受供应链未来中断的影响。锂离子电池和制造废料的再利用/回收可以通过减少在环境和健康法规不太严格的国家中开采和出口原生矿物的需求来支持可持续的资源治理。例如,刚果民主共和国拥有世界上最大的钴储量,总储能量达到360万吨,2019年生产了10万吨精炼钴。相比之下,美国2019年只生产了500吨精炼钴。  

2.2、障碍  

某些因素可能会抑制美国锂离子电池的循环经济的发展。在本节中,确定了可能抑制管理决策和行为的技术、流程、数据、经济和监管因素,这些因素有助于将循环原则整合到BES价值链和供应链中。表2总结了这些障碍。

表2、锂离子电池循环经济的障碍  

2.2.1、技术、基础设施和流程障碍  

技术、产品和流程创新在效率、成本节约、增加利润以及增强行业的竞争力方面发挥着关键作用。当前与锂离子电池的再利用/回收相关的技术、基础设施和工艺并未针对有效的、具有成本效益的修复进行优化,以实现有价值材料的再利用或回收。因此,处置的可及性和成本可能更理想。本节讨论可能抑制锂离子电池循环经济的技术、基础设施和工艺障碍,以及美国的二次电池的市场机会。  

如今市场上许多不同的电池产品,并且没有采用锂离子电池的标准化模块或结构,而其形状、尺寸和材料成分可能因制造商而异,甚至可能来自同一制造商的不同型号。锂离子电池设计和成分的可变性使得难以设计用于二次使用电池的安全性和可靠性测试的标准化流程,也使得电池拆卸和回收过程的自动化变得困难,需要昂贵的人工拆卸和分离。此外,电池单体的连接方法也可能会阻碍再利用/回收效率,例如将电池组焊接而不是用螺母和螺栓将电池单体固定在一起。一些美国政府资助的研发工作专注于锂离子电池的设计以便于重用/回收,但这些努力都没有达到商业规模。  

调查表明,美国的电池回收基础设施比较有限,也没有有效的流程来处理来自电动汽车和固定电池储能系统的退役和报废的预计数量。美国只有少数几个可以处理大型锂离子电池的收集/分类站点,并且美国目前只有一个回收设施。此外,对于二次利用锂离子电池的安全性和可靠性、指导性有限,没有标准化流程,也没有标准化或自动化的拆卸锂电池进行资源回收的流程。  

当前的锂离子电池回收技术通常采用湿法冶金(化学)和火法冶金(熔炼)工艺,并未针对高回收率的高纯度材料的成本效益回收进行优化。锂离子电池的火法冶金回收可以回收一些金属,但会在残渣中留存锂和铝等高价值金属,这使得它们难以经济有效地回收。湿法冶金回收可以回收高价值金属,如锂和铜,但其提取方法需要昂贵的再处理才能重新使用回收的金属。

2.2.2、信息和数据障碍  

在扩大市场机会的早期阶段,调查研究报告中的数据在为投资决策提供信息方面发挥着重要作用,但关于美国退役锂离子电池的可用锂离子电池研究和储能市场中公开信息是有限且可变的。本节讨论了面临信息和数据障碍,这些障碍可能会阻碍美国锂离子电池和二级电池储能市场机会的循环经济。  

有关退役锂电池的数量、时间和状况的公开信息是有限且可变的。退役锂离子电池的寿命和平均状况在很大程度上是理论上的,因为用于电动汽车的锂离子电池达到其预期寿命的终点,而用于固定式电池储能系统的锂离子电池也开始主导主要市场。而对于电动汽车和电池储能系统的不同预期寿命、剩余充电率和部署假设,以及其他指标导致预期寿命预测的范围很广。此外,证明再利用和翻新锂离子电池的质量、性能、安全性和技术可行性的公开信息和项目有限,这可能会影响消费者对锂离子电池再利用的信任和信心。  

对锂离子电池进行再利用和回收有价值材料的真实成本的分析和数据是有限的。迄今为止的分析主要集中在电池拆卸(例如包装拆卸、模块拆卸和分离)和回收处理成本,而这些分析没有考虑基础设施需求(例如收集中心和回收设施)、逆向物流(例如分拣、处理和运输)、运营费用或法规遵从性。

而这份调查报告并没有给出任何与锂离子电池翻新和再利用相关成本的分析或数据,。也没有分析考虑到再利用/回收过程的未来创新或锂离子电池技术的进步。  

关于重新利用的锂离子电池回收的锂离子电池材料的价值和市场的信息也很有限。关于使用过的锂锂离子电池的残值和市场的数据有限,而且由于更新、更高效电池的价格、再利用成本以及电池寿命和首次使用的降解数据等方面的不确定性,可用的信息变化很大和第二次生命应用。同样,考虑到当前锂离子电池化学和设计的回收锂的商品市场数据有限,并且没有考虑到不断变化的电池化学或未来的再利用和回收技术以及工艺效率。

2.2.3、监管障碍  

美国联邦、各州和地方法规在消费品安全和可靠电力服务方面发挥着关键作用。法规还有助于确保锂离子电池的安全处理、储存、处理、运输、再利用、回收和处置。然而,各州和地方互连、消防、建筑和电气法规如何适用于电池储能系统通常尚不清楚。此外,联邦、得州和地方法律法规要求对锂离子电池的回收和处置进行昂贵的处理、储存、运输和处理,对不遵守规定的行为进行民事和刑事处罚。此外,联邦、州和地方的法律法规很复杂,这由于司法管辖区不同而有所不同,有时不清楚它们如何适用于锂离子电池的某些再利用和回收过程。本节重点介绍了一些监管障碍,这些障碍可能会阻碍美国锂离子电池和二级电池储能系统市场机会的循环经济。  

2.2.3.1、再利用  

美国州和地方法规不明确且多变,可能会影响锂离子电池的再利用和二级电池储能系统市场的投资。美国的大多数互连、消防、建筑和电气法规由于司法管辖区的不同而有所不同。此外,这些法规通常没有专门针对电池储能系统制定,并且对于它们是否适用通常不明确。美国只有少数司法管辖区已经采取措施修订和澄清其互连法规,以解决它们如何适用于电池储能系统的问题。同样,相关行业主导的火灾、建筑和电气模型标准的起草工作主要是在开发阶段。报告发现,没有研究分析互连、火灾、建筑和电气法规对锂离子电池储能系统并网和离网二次使用应用的可行性的影响。电池储能系统系统和大型锂离子电池法规和标准的不确定性和缺乏指导使得难以确定锂离子电池的可行的二次应用,这可能会扼杀消费者对使用二次电池产品的信心和对锂离子电池再利用的整体投资。  

2.2.3.2、回收  

复杂、多变且有时不明确的美国联邦、各州和地方法规可能会影响有价值的锂离子电池材料的资源回收。在回收之前积累或储存的使用过的锂离子电池,以及被回收的锂离子电池,可以按照与在处置前积累或储存的锂离子电池相同的方式,按照美国1976年发布的《资源保护和回收法》,美国的固体废物法律由于司法管辖区不同而有所不同,它们强制规定了具体的处理、储存、运输、处理、回收和处置要求,违反者将会受到民事和刑事处罚。  

此外,锂离子电池运输商也可能受到严格的美国运输部(DOT)危险材料法规的约束。除了为这个调查报告所做的分析之外,并没有研究全面分析《资源保护和回收法》对于固体废物/危险废物在美国处理、运输、储存、处理、回收和处置锂离子电池的要求。  

也有证据表明《资源保护和回收法》监管排除是否适用于锂离子电池的某些回收过程。例如,新的回收技术(如阴极到阴极再锂化)是否构成回收并触发《资源保护和回收法》监管是一个有争议的主题。不明确和可变的监管可能会产生一定程度的风险和不确定性,从而影响对锂离子电池材料回收的投资。此外,如果《资源保护和回收法》监管排除不适用于回收的锂离子电池,并且它们的监管方式与处置的锂离子电池相同,则可能缺乏回收锂离子电池的动力,直到回收经济变得更具竞争力。  

2.2.4、经济和市场壁垒  

如今,私营企业投资于锂离子电池的再利用或回收的经济动机或动力有限。同样,消费者对锂离子电池在电动汽车和固定式电池储能系统应用中的二次使用缺乏信心。此外,锂离子电池的再利用和回收选择的成本和可及性通常被更便宜、更容易获得的处置选择所抵消。本节讨论可能会抑制美国锂离子电池和二级电池储能系统市场机会的循环经济的经济和市场障碍。  

经济、市场和监管不确定性以及法律责任问题可能会抑制二级电池储能系统市场机会、锂离子电池资源的回收,以及对电池储能系统产品、流程和服务创新的整体投资。如今,与锂离子电池的再利用/回收相关的技术、基础设施和流程有限,并且没有针对有效成本效益的再利用或有价值材料的回收进行优化。再利用的安全性和可靠性测试没有进行简化,电池拆卸和回收过程没有实现自动化或具有成本效益。此外,关于重新处理锂离子电池以供再利用的真实成本或回收有价值的锂离子电池资源真实成本的数据比较有限。关于重新利用的锂离子电池和回收的锂离子电池材料的价值和市场的信息也很有限。此外,对于锂离子电池的再利用适用哪些法规存在不确定性,也缺乏关于锂离子电池安全可靠地再利用二次使用应用的指导。同样,处理、运输、储存和处理要求对违规行为进行民事和刑事责任处罚也很复杂、多变,有时不明确。美国联邦、州和地方法规也可能以与处置相同的方式管理用于资源回收的使用过的锂离子电池,如果处置的经济性更有利,这可能会抑制有价值的锂离子电池的回收。此外,报告并没有确定许多美国联邦、州或地方的经济激励措施或政策可以帮助激励锂离子电池的再利用/回收,或对新的和扩大的电池储能系统市场进行早期投资。  (未完待续,严禁转载,违者必究)

关键字:锂电池,储能

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