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為何鋰電池如此重要?未來趨勢與回收方式



鋰電池未來趨勢

一、為了因應全球節能減碳環保趨勢,汽機車產業正逐漸轉型。從環境及能源的角度來看相對於傳統內燃機引擎車輛,電動車的能源轉換效率高及其二氧化碳排放量較少,使電動車被公認為未來最有發展潛力的綠色車輛之一。


二、太陽光電模組由於利用太陽光發電有時辰的限制,因此發電與儲能需互相搭配才能有效利用太陽能。由於鋰離子電池具高能量密度、高輸出功率與無記憶效應等優點,成為儲能市場近年來最熱門趨勢。


三、臺灣稀有資源少,需透過「城市礦山」的方式將廢棄物資源化。 以現今趨勢談論資源永續利用,首先應推動將廢棄物資源化以達到促進產業永續發展。


鋰電池是現在最好的電池種類

1. 能量較高:具有高儲存能量密度,目前已達到460-600Wh/kg,是鉛酸電池的約6-7倍

2. 使用壽命長:使用壽命可達到6年以上,磷酸亞鐵鋰為正極的電池1C(100%DOD)充放電,有可以使用10,000次的記錄

3. 額定電壓高(單體工作電壓為3.7V或3.2V):約等於3只鎳鎘或鎳氫充電電池的串聯電壓,便於組成電池電源組

4. 具備高功率承受力:其中電動汽車用的磷酸亞鐵鋰鋰離子電池可以達到15-30C充放電的能力,便於高強度的啟動加速

5. 自放電率很低:這是該電池最突出的優越性之一,目前一般可做到1%/月以下,不到鎳氫電池的1/20

6. 重量輕:相同體積下重量約為鉛酸產品的1/5-6

7. 高低溫適應性強:可以在-20℃--60℃的環境下使用,經過工藝上的處理,可以在-45℃環境下使用

8. 綠色環保:不論生產、使用和報廢,都不含有、也不產生任何鉛、汞、鎘等有毒有害重金屬元素和物質


電池種類

鋰鈷

優點:能量密度較高、放電電壓高且穩定、電極材料裝備容易。

缺點:鋰鈷氧物結構定性差、安全性差、鈷材料成本高、循環壽命短。


鋰錳

優點:安全性高、成本低、大功率放電特性佳。

缺點:循環壽命較短、高溫造成錳離子解離使電容量衰退。


鋰鎳鈷錳

優點:安全性較高、添加錳鎳後,電容量獲得提升、電極材料製備容易。

缺點:循環壽命短、鈷材料成本高。


磷酸鐵鋰

優點:橄欖石化學結構穩定性佳、安全性高、充電快速、循環壽命長、成本低。

缺點:材料導電性偏低、製程難度高、專利爭議。


鋰電池回收之必要性

相關政策

1.配合歐盟各國所實施之新電池指令,規定生產者需負擔使用過後之電池回收、處理及循環的成本,降低整體碳排量;落實台灣政府近期所推動的5+2方案中的綠能科技與循環經濟概念。


2.歐盟各國自2008年9月實施新電池指令,規定生產者需負擔使用過後之電池回收、處理及循環的成本;而「碳金融」與「碳有價化」更是巴黎氣候大會的兩大焦點。


※面對每年逾十億顆鋰離子電池的廢棄量和電池廠產生日以噸計之廢料廢棄物,如不妥善回收處理,將造成環境生態的永久污染以及傷害。


鋰電池潛在污染

​材料種類

​材料名稱與主要化學特性

​潛在污染

​正極材料

​鋰鈷酸:與水、酸或氧化劑發生強烈反應,燃燒或受熱分解產生有毒鋰,鈷氧化物。

重金屬鈷污染使環境pH升高。

​負極材料

​碳材:粉塵與空氣的混合物遇熱源或火源可發生爆炸, 可與強氧化劑發生反應,燃燒產生CO與CO2氣體。

​粉塵污染

​電解質溶劑

​碳酸乙烯酯:與酸、鹼、強氧化劑,還原劑發生反應,水解產物產生醛和酸。

醛,有機酸污染。

電解質

​六氟磷酸鋰:具有強腐蝕性,與水可分解產生 HF與強氧化劑發生反應,燃燒產生 P2O5等有毒物質

氟污染使環境pH升高。

​隔離膜

​聚丙烯微孔膜:燃燒可產生CO,醛,有機酸等。

​有機物污染

​黏合劑

​聚氟偏乙烯:可與氟、發煙硫酸、強鹼、鹼金屬發生作用,受熱分解產生HF。

氟污染

鋰電池回收再利用方式

一、維修翻新

對電池進行充放電試驗和相關信息的讀取,如電池整體狀況良好,只是個別單體到達使用壽命,則對這些單體更換後重新組裝電池包,可以作為置換電池重新應用。


二、層級利用

通過檢測,如果回收電池還剩餘規定容量,則可以進行梯次利用,應用於分布式儲能電池系統,用來平抑、穩定風能、太陽能等間歇式可再生能量發電的輸出功率;或者應用於微電網,實施削峰填谷,減輕用電負荷供需矛盾。


三、對於完全喪失再利用價值的電池,則對電池進行拆解和化學處理,完全回收鋰、鈷、鎳等金屬,用於生產新的電池,實現循環利用。


各國鋰電池回收技術整理

國家

公司

技術

主要產物

比利時

Umicore

Val’ eas法得到鎳鈷合金→酸浸→濕法冶金

CoCl2、NiSO4

日本

Sumitomo-Sony

鍛燒除去電解液及塑膠→火法回收Co/Ni/Fe→濕法回收Co

CoO

德國

1.Accurec GmbH

2.LithoRec proces

機械破碎→濕法冶金

Co合金、Li2 CO3

法國

SNAM

火法冶煉、磁分離得有價金屬→濕法冶金

Co/Ni/Cu合金、鋰鹽

法國

Recupyl

機械破碎與濕法回收

Co(OH)2、Li3PO4

瑞士

Glencore plc.

火法與濕法冶金

Co/Ni/Cu合金

加拿大

Toxco

破碎篩選→酸浸與沉澱(濕法)

CoO、Li2CO3

中國

格林美/邦普

濕法回收為主:酸浸後純化

Co/Ni/Cu合金、Co3O4

資料來源:北科大張添晉教授簡報-鋰離子電池高值化循環利用技術

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