廢舊手機(jī)鋰離子電池回收利用效益分析

目前，我國(guó)移動(dòng)電話市場(chǎng)是世界上最活躍的通訊市場(chǎng)，其發(fā)展速度迅猛，年平均增長(zhǎng)率超過(guò)100%。2002年我國(guó)的手機(jī)用戶1.5億左右，而到2005年，國(guó)內(nèi)的手機(jī)用戶達(dá)到3億，成為世界第一手機(jī)使用大國(guó)。2000年，世界鋰電池的產(chǎn)量達(dá)5億只，我國(guó)產(chǎn)量約1億只，由于電池經(jīng)過(guò)幾百次充放電后，電極膨脹，容量下降以至報(bào)廢，因此鋰電池的使用壽命一般為2～3年。并且，在電池生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定量的廢料，如目前天津力神電池股份有限公司產(chǎn)生的廢料量約200t/a。因此，開(kāi)展對(duì)廢舊二次鋰離子電池及其產(chǎn)生廢料的回收資源化，會(huì)產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。
1手機(jī)鋰離子電池的市場(chǎng)現(xiàn)狀
1998年至2002年，我國(guó)累計(jì)生產(chǎn)手機(jī)2.7億部，2003年手機(jī)產(chǎn)量約1.56億部，按每部手機(jī)配1.8塊電池計(jì)算，2003年國(guó)內(nèi)手機(jī)配套鋰電池量為3.06億塊。我國(guó)移動(dòng)電話用戶數(shù)從1995年的360萬(wàn)增至2001年的14480萬(wàn)戶。2004年我國(guó)1G+2G移動(dòng)用戶達(dá)2.8億個(gè)，CDMA類達(dá)到1600萬(wàn)戶，到2005年底我國(guó)移動(dòng)用戶量達(dá)到3.2億個(gè)，按老手機(jī)50%的電池更換量計(jì)算，2005年國(guó)內(nèi)屆時(shí)手機(jī)電池更換量為1.2億只。如圖1所示[1]。

圖1我國(guó)手機(jī)近幾年產(chǎn)量走勢(shì)
與此同時(shí)，中國(guó)發(fā)展小靈通、CDMA給鋰離子電池提供了新的市場(chǎng)。截止2004年底，全國(guó)已有350多個(gè)城市開(kāi)通了“小靈通”業(yè)務(wù)，系統(tǒng)總?cè)萘恳堰_(dá)到3000萬(wàn)線，其用戶規(guī)模甚至超過(guò)了聯(lián)通CDMA，2005年用戶達(dá)到3200萬(wàn)。按每戶配1.8塊電池計(jì)算，需新增電池5760萬(wàn)只。CDMA服務(wù)的引進(jìn)及生產(chǎn)本地化，為國(guó)內(nèi)鋰電池廠商提供了大量機(jī)會(huì)來(lái)提高市場(chǎng)占有率。
2廢舊鋰離子電池回收利用的基本原則
廢舊鋰離子電池的回收利用主要遵循循環(huán)經(jīng)濟(jì)的3R[2](減量化、再利用、資源化)原則進(jìn)行。
鋰離子電池在流通中的流通順序依次是設(shè)計(jì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)、銷售環(huán)節(jié)、消費(fèi)環(huán)節(jié)、收集環(huán)節(jié)、貯存環(huán)節(jié)、運(yùn)輸環(huán)節(jié)、資源化處理環(huán)節(jié)、綜合利用環(huán)節(jié)和無(wú)害化處理環(huán)節(jié)，它們之間相互依存與約束，是對(duì)3R原則的最好體現(xiàn)。如圖2所示。

3廢舊鋰離子電池的資源化價(jià)值
3.1鋰離子電池的結(jié)構(gòu)組成
鋰離子電池主要由外殼、正極、負(fù)極、電解液和隔離膜幾部分組成。電池的正極有約90%的正極活性物質(zhì)鈷酸鋰、約7%～8%的乙炔黑導(dǎo)電劑、約3%～4%的有機(jī)粘合劑均勻混合后，涂布于厚約20μm鋁箔集流體上；電池的負(fù)極由約90%負(fù)極活性物質(zhì)碳素材料、4%～5%的乙炔黑導(dǎo)電劑、6%～7%的粘合劑均勻混合后，涂布于厚約20μm銅箔流體上，正負(fù)極厚約為0.18～0.2mm，中間用厚度約10μm的聚乙烯或聚丙烯膜隔開(kāi)，并充以1mol/L的六氟磷酸鋰的有機(jī)碳酸酯電極液。鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在能量密度高、平均輸出電壓高、輸出功率大、自放電小、沒(méi)有記憶效應(yīng)、循環(huán)性能優(yōu)越，可快速放充電、充電效率高，殘留容量測(cè)試方便等。缺點(diǎn)主要是成本高(正極材料LiCoO2的價(jià)格高)、需特殊保護(hù)電路、與普通電池的相容性差等。
3.2鋰離子電池中的金屬材料含量
以常見(jiàn)的重約40g的手機(jī)電池為例，可看出鋰離子電池中金屬材料的含量[3]。如表1所示。
表1常見(jiàn)鋰離子電池中金屬含量％

鈷、鋰等作為生產(chǎn)鋰離子電池的原材料，在自然界中蘊(yùn)藏很少。鈷是資源稀少、價(jià)格較貴的金屬，它沒(méi)有單獨(dú)的礦床，大都伴生于銅礦、鎳礦中且品位較低。世界各國(guó)都比較重視工業(yè)生產(chǎn)中鈷的回收。我國(guó)每年鈷的需求量約600～800t，其中60%以上需要進(jìn)口，從表1可以看出，鋰電池中含鈷較高。一只重約40g的電池，含金屬鈷約6g。按每年報(bào)廢1億只鋰離子電池計(jì)算，其中可以回收的鈷就約600t，價(jià)值2億元左右。
4國(guó)內(nèi)外鋰離子電池回收處理技術(shù)[4-8]
目前，國(guó)外一些公司對(duì)鋰離子電池進(jìn)行了回收利用。有代表性的如瑞士某公司，主要工藝是把回收來(lái)的電池經(jīng)篩選和人工分揀后，經(jīng)高壓常溫破碎→中和鋰→金屬分離→鎳鉻合金、鈷及氧化錳和塑料等。而日本回收處理廢電池一直走在世界前列，其工藝流程為電池組→解體塑料和金屬殼回收，單體電池焙燒→粉碎→分選→篩上物磁選出鐵，篩下物→酸溶解→過(guò)濾→收入溴酸反應(yīng)→過(guò)濾→溴酸鈷→干燥→鈷化合物。 
國(guó)內(nèi)有關(guān)單位研究采用硫酸介質(zhì)還原浸出生產(chǎn)草酸鈷的工藝，工藝流程為破碎解體→分選→硫酸還原浸出→凈化→草酸沉鈷。
5廢舊鋰離子電池回收利用的經(jīng)濟(jì)效益分析
5.1廢舊鋰離子電池回收量的估算
鋰離子電池的使用壽命一般是2～3年，2005年底我國(guó)移動(dòng)用戶量達(dá)到3.2億個(gè)，按老手機(jī)50%的電池更換量計(jì)算，2005年國(guó)內(nèi)屆時(shí)手機(jī)電池更換量為1.2億只，2007年回收量為0.12億只。
5.2開(kāi)發(fā)廢舊鋰離子回收利用的成本要素
廢舊鋰離子電池資源化的成本主要包括以下幾方面：廢電池從消費(fèi)者手中收集到廢電池處理場(chǎng)的費(fèi)用；廢電池收集到處理場(chǎng)所后進(jìn)行處理時(shí)所需的生產(chǎn)性支出，包括所需生產(chǎn)材料、人工、設(shè)備、水電以及維持企業(yè)正常運(yùn)作等所必須支出的費(fèi)用；回收廢電池過(guò)程中的環(huán)保費(fèi)用。
5.3廢電池回收利用的收益
廢舊鋰離子電池回收利用的收益包括兩方面：
(1)從回收利用過(guò)程所得的材料銷售收入廢電池中各類金屬材料是回收利用的主要產(chǎn)品，其價(jià)值的高低決定于各類金屬的回收率和相互分離的程度。
(2)無(wú)害化回收利用廢電池帶來(lái)的環(huán)境效益該部分收益往往是回收企業(yè)不能直接得到的經(jīng)濟(jì)回報(bào)，但對(duì)整個(gè)社會(huì)和電池行業(yè)而言收益是巨大的。
5.4廢鋰離子電池回收利用效益模型的建立
在這里不考慮時(shí)間因素的動(dòng)態(tài)分析。

式中：Pt：為廢鋰離子電池回收利用第t年的總收益，元；
Pk：經(jīng)回收利用后所得第k類再生材料的銷售價(jià)格，元/t；
Xk：經(jīng)回收利用后所得第k類再生材料的量，t；
Pk'：回收分解后第k種廢品的出售價(jià)格，元/t；
Yk：回收分解后第k種廢品的量，t；
Ct：廢鋰離子回收利用過(guò)程中總的投入，元。
5.5廢電池回收利用的經(jīng)濟(jì)收益估算
估算每只電池質(zhì)量約重25.1g，去殼后為14.5g，隔膜約0.9g。分析結(jié)果為每只電池平均含鈷14.3%，含鋰1.4%，含銅17.8%，含鋁4.61%。
(1)鈷鋰膜資源化的經(jīng)濟(jì)效益
采用堿浸—酸浸—凈化—沉鈷的工藝流程從鋰離子二次電池正極廢料———鋁鈷膜中回收鈷[9]。本工藝鈷的直收率達(dá)95.75%，且工藝流程短，對(duì)設(shè)備要求低，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和顯著的社會(huì)效益。根據(jù)目前市場(chǎng)行情，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際情況，進(jìn)行了簡(jiǎn)單的經(jīng)濟(jì)估算：
①處理1t鈷鋰膜廢料(117元/kg)的原材料消耗：氫氧化鈉1168kg，價(jià)格2.2元/kg；98%濃硫酸2062kg，價(jià)格0.5元/kg；27.5%雙氧水719kg，價(jià)格2.2元/kg；草酸銨800kg，5元/kg；一次交換水3939kg，價(jià)格0.1元/kg。原材料所消耗的費(fèi)用為：126576.3元。
②處理1t廢舊鋰離子電池的成本及效益概算：
如表2所示。
此次計(jì)算僅為實(shí)驗(yàn)室情況的粗略估計(jì)，應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)時(shí)還應(yīng)綜合考慮各種元素，如價(jià)格波動(dòng)、回收程度和純度等。
(2)鋰離子電池回收利用的經(jīng)濟(jì)效益
廢品的回收價(jià)格：廢塑料0.80元/kg，廢金屬(平均)38.5元/kg。分揀工人平均工資30元/(班?人)；分揀工具及分揀勞動(dòng)保護(hù)用品1000元/(a?人)。經(jīng)估算可知處理1t鈷鋰膜需要廢舊鋰離子電池4.3t，其中金屬占38.3%，塑料占13.47%，回收利用的總收益為：56389.4元。
表2廢舊鋰離子電池的成本及效益概算

故廢舊鋰離子電池經(jīng)回收利用后可得的總收益約為10.4萬(wàn)元。在有效的廢棄鋰離子電池的回收體系的支撐下，按年回收手機(jī)電池300t(約1500萬(wàn)支手機(jī)電池)計(jì)算，根據(jù)目前手機(jī)廢電池市場(chǎng)價(jià)為3萬(wàn)元/t，每個(gè)電池應(yīng)回收價(jià)值約1.5元，則年產(chǎn)值達(dá)到2250萬(wàn)元。
6結(jié)束語(yǔ)
目前，每年手機(jī)電池報(bào)廢約1億支，每支電池平均約重20g，其中鈷含量約3g以上，目前金屬鈷價(jià)格40萬(wàn)元/噸，每噸廢舊電池可回收金屬160千克以上，價(jià)值64000元，全國(guó)僅就鈷一項(xiàng)的回收價(jià)值就可達(dá)到數(shù)億元。從廢舊鋰離子二次電池中還可以回收鋁、銅以及有機(jī)電解液，價(jià)值都很高。進(jìn)行再資源化的成本主要是機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的電力消耗、人工費(fèi)、原料、運(yùn)輸費(fèi)和企業(yè)管理費(fèi)等，廢舊電池回收成本。在有效的廢棄手機(jī)電池回收體系的支撐下，預(yù)期年處理量為100t，年銷售收入至少達(dá)到2250萬(wàn)元，利稅達(dá)到450萬(wàn)元回收廢棄的鋰離子電池可實(shí)現(xiàn)材料的循環(huán)使用，具有重大的社會(huì)意義。同時(shí)，具有可觀的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會(huì)效益，為推動(dòng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的深入發(fā)展提供產(chǎn)業(yè)化標(biāo)志。
參考文獻(xiàn)略