|
电话：15313702523
Discover蓄电池超越初次使用寿命：电池回收与梯次利用的研究进展与前景展望
电动汽车的普及迫切要求制定锂离子电池环境可持续的报废处置策略，其中报废回收与梯次利用是构建闭环电池经济体系最可行的方案。本文对两种路径进行了全面且严谨的评估：聚焦于电池降解过程；锂离子电池三大回收技术（火法冶金、湿法冶金与直接回收）；以及梯次利用锂离子电池技术在技术、经济与环境方面的优势与局限性。火法冶金回收工艺可从锂离子电池中回收超过85%的过渡金属，但由于热力学限制，该方法存在固有局限性，仅能回收电池中低于42%的锂含量。湿法冶金浸出溶液的回收率可达95-98%，同时与原生材料生产相比，其环境足迹可降低58%。相比之下，通过阴极再生工艺的直接回收技术可实现超过98%的回收率。在固定式储能系统中部署二次利用电池，相较于全新电池系统可减少22-51%的全生命周期温室气体排放，具体减排效果取决于生命周期分析的边界条件及所部署系统的运行特性。
图形摘要
引言
由于电动汽车和可再生能源系统的使用日益普及，锂离子电池市场在全球范围内正以前所未有的速度增长。按价值计算，锂离子电池市场规模已从2024年的752亿美元增至2029年的2217亿美元以上，复合年增长率（CAGR）达到15.8%。其中，电动汽车电池板块预计将成为锂离子电池市场中增长最快的细分领域，该板块规模预计将从2024年的613.1亿美元增长至2030年的1988.6亿美元，复合年增长率高达22.2%（BCC Research, 2025; Grand View Research, 2025; GM Insights, 2025）。自2022年以来，制造产能已翻倍至2024年的200吉瓦时以上。目前全球电池制造商正在建设的产能约达700吉瓦时，这些厂商正积极布局以满足不断增长的电池需求（IEA, 2025）。汽车行业正主导着锂离子电池市场，2024年占据了该市场67%的份额。随着乘用车、商用卡车和公共交通电气化程度的提升，预计到2034年汽车行业市场规模将突破2250亿美元（GM Insights，2025年）。
全球电动汽车销量呈现迅猛增长态势，2024年总销量突破1700万辆（占汽车总销量的20%以上），预计2025年销量将超2000万辆，在全球汽车销量占比中将显著超过四分之一（国际能源署，2025；彭博新能源财经，2025）。2025年前三个月的销量较2024年同期增长35%，仅第一季度全球电动汽车销量就达约400万辆，这表明即便面临经济动荡，市场仍保持强劲增长势头（国际能源署，2025；Virta Global，2025）。尽管领先优势依然显著，中国仍是电动汽车领域的最大市场，2024年电动汽车占新乘用车销量的近50%，预计2025年将达到60%；而欧洲市场渗透率正接近20%，东南亚、拉丁美洲和非洲国家正以超50%的增速发展——例如泰国电动汽车占比达13%，巴西销量翻倍至12.5万辆（国际能源署，2025；Virta Global，2025）。这种地域多样性对"电动汽车转型将主要发生在发达经济体"的既往假设提出了挑战。
电动汽车数量的快速增长导致电池需求同样迅速攀升。预计2024年电池需求量将超过950吉瓦时，并于同年突破1太瓦时大关，这主要源于交通领域电气化进程加速及电网级储能应用扩大(EV Volumes, 2025; Persistence Market Research, 2025)。电池需求预计将增至2.到2030年，由于车辆续航里程提升和储能系统普及，电池需求将增长至3太瓦时。同期全球电动汽车数量预计将从2023年的约4000万辆增至2024年底的5800万辆(Virta Global, 2025; EV Volumes, 2025)。据预测，到2030年电动汽车将占全球轻型汽车市场的45.3%，部分情景预测为实现净零排放目标渗透率可能高达65%，这将带来约40...每年需要700万组电池单元（EV Volumes，2025；IEA，2024）。由此可见，针对即将投入使用的海量电池，开发环境友好的寿命末期管理策略至关重要——因为巨量电池的投入使用必将产生大量废弃物，这要求我们建立完善的回收设施体系并发展可行的二次应用方案。
锂离子电池的快速扩张对寿命终止（EOL）管理具有重大影响，未来十年这一管理规模将显著扩大。当电动汽车容量降至初始容量（健康状态）的70%-80%时，通常被视为达到寿命终止（Martinez-Laserna等人，2018年）；该阈值基于早期电动汽车发展水平确定，并已成为评估大多数电动汽车性能的基础标准；然而随着技术持续发展，健康状态的定义正在被重新审视。电池性能衰减通常发生在运行8至15年后，但实际退役时间取决于应用场景对性能特征的要求，而非电池健康状态的绝对指标(Bobba et al., 2018)。尽管目前仅有不足10万块电动汽车电池退出服役，但预计每年退役的电动汽车电池数量将快速增长——到2030年将突破120万块/年，至2040年更将超过1400万块/年(Chacana-Olivares et al., 2025)。从质量角度测算，报废锂离子电池总量预计将以年均25%的速度增长，到2040年将产生约2050万吨废弃物，其中约94%源自电动汽车使用环节，6%来自生产废料(Wang et al., 2022)。
由于缺乏适当的管理架构，爆炸式的增长不仅带来了巨大的潜在环境风险，同时也造成了大量未被实现的资源循环利用机会。锂离子电池含有危险物质（钴、镍、锰等有毒重金属）、高度易燃的有机电解液以及具有强反应性的锂基成分，若处置不当将导致地下水或地表水污染、火灾及有毒气体释放（Zeng等，2014）。环境影响的范畴不仅限于电池不当处置引发的后果，更涉及原生原材料开采过程中的重大衍生问题：包括从脆弱生态系统中提取锂资源时消耗的大量水资源，以及手工钴矿开采中的非道德实践（Ali等，2017）。近期安全事件进一步凸显了建立功能性管理体系的紧迫性。在某些辖区，锂离子电池每年引发约48%的废弃物火灾（Chen等，2022），不仅造成重大经济损失，还对环境产生严重破坏。
锂离子电池回收产业目前在全球范围内发展不足，但具体回收率因地区、电池类型及来源（如汽车或电子设备）差异而波动显著。最新研究估算全球锂离子电池回收率约为5%-10%。%% 由于收集难度大且生命周期短，小型便携式电子设备的锂离子电池回收率不足5%（Chacana-Olivares等，2025）。电动汽车用大尺寸锂离子电池的回收率同样偏低。%% 然而，随着欧盟、中国及亚洲其他地区强制回收锂离子电池的法规不断增加，预计将快速形成专门用于电动汽车大尺寸锂离子电池回收的基础设施体系（Harper等，2019）。锂离子电池的低回收率是多种因素共同作用的结果，包括：缺乏标准化的锂离子电池拆解流程；回收所得材料价值与处理成本之间的经济性不确定；材料处理所在国监管环境需提高稳定性；以及锂离子电池回收经济效应对金属价格和阴极材料具体配方的敏感性（Richa等，2017）。由于锂离子电池配方存在差异，其回收的经济可行性将高度依赖于正极配方类型及电池所含各种金属的市场价格。富钴锂离子电池配方通常能为回收商提供更高价值回报（约5-15美元/千克电池），而新兴铁基配方如磷酸铁锂（LFP）在锂价持续高企时可能产生负价值回报（Thompson等，2020）。锂离子电池配方向低钴及潜在无钴方向发展的趋势，进一步增加了开发适应性强的锂离子电池回收商业模式及工艺技术的难度，这些技术需要兼容各类锂离子电池配方（Olivetti等，2017）。
循环经济为管理报废电池提供了整体性解决方案。除再利用策略外，该体系还提供互补性回收策略以实现资源利用最大化。电池回收可实现对锂、钴、镍和锰等有价材料的回收，降低对这些材料原生开采的依赖，从而缓解供应链脆弱性与价格波动问题（Dunn等，2012）。湿法冶金回收工艺在最优运行条件下，锂、钴、镍和锰的回收率可达95%以上（Li等，2016）。再生材料对未来电池供应的贡献率将持续显著增长。据国际能源署（IEA，2024）预测，到2050年回收材料将满足全球20%-30%的锂、镍和钴需求，但该目标取决于高回收率的实现程度。欧洲一项分析表明，到2030年，再生材料可满足14%的锂、16%的镍、17%的锰和25%的钴需求；至2050年，锂和镍的再生供给比例将提升至30%（Transport and Environment, 2025）。这些回收材料可使欧洲本土生产的纯电动汽车规模在2030年达到130万至240万辆，并有望在2040年增至1500万辆（Transport and Environment, 2025）。
二次电池应用是为动力电池首次使用后创造额外价值层级的有效途径。研究表明，多数情况下退役电池仍保留70%-80%的原始容量（Martinez-Laserna等，2018），这意味着其在可再生能源存储、电网调频服务、工商业备用电源系统及离网电气化项目等固定场景中具有显著应用潜力。生命周期评估研究表明，与使用全新锂离子电池相比，二次利用应用可使住宅领域的全生命周期二氧化碳排放量减少22%-51%，公用事业规模应用减少7%-31%（Kamath等，2020）。更乐观的评估预测，在离网应用中，对比基于电网的供电方案，采用二次利用电池/光伏系统组合的全生命周期温室气体排放量可降低42%-75%（Kamath等，2020）。该方法还具有多重协同优势：既避免了电池过早回收造成的资源浪费，又通过延长资产寿命创造了额外收益来源，同时降低了因购置全新储能电池而产生的全生命周期环境影响——在资本成本过高而难以负担新电池采购的低成本储能应用场景中，这种影响尤为显著（Hossain等，2019）。
随着回收材料的高价值和再生产品的价格竞争力增强，关于回收利用副产品的经济论证更具说服力。据国际能源署测算，若将电动汽车报废电池所含的锂、钴和镍全部回收利用，到2040年可实现每年节约250亿美元成本，同时避免约1600万公吨二氧化碳的年排放量（落基山研究所，2024年）。金属回收的平均能耗比开采同类金属低约80%，这意味着到2040年生产锂、镍和钴所需的累计排放量将减少约35%（国际能源署，2024年）。据估算，二手电池的价格约为新电池的30%-70%。测试、筛选、人工和装备成本预计在25-49美元/千瓦时之间（麦肯锡公司，2019年；Neubauer等，2015年）。因此，这两种方式共同构成了梯次电池寿命管理的互补性方案。无论从技术可行性还是经济性角度考量，再利用都应作为首选方案。当再利用不可行时，则通过回收实现"闭环"生命周期（Gaines，2014年）。预计2020至2050年间，电池回收将满足未来钴、锂、镍等关键材料需求的很大部分。如图1. 材料回收能力在不同地区存在显著差异；得益于现行法规与成熟的回收体系，欧洲在回收贡献率方面具有优势。在所有展示的三种金属中，钴将展现出最高的回收潜力，预计到2050年，其需求量50%以上可通过回收途径满足。钴回收潜力主要源于两方面驱动因素：需处理大量达到报废阶段的高钴化学制品，以及电池制造商转向低钴配方导致的钴需求下降。锂和镍的回收潜力虽低于钴，但仍相当可观——预计到2050年，两者需求量的28%至30%将依赖回收供给。这些预测结果高度依赖于回收率超过70%的前提条件，以及高效回收技术的成功应用。
本文将详细比较现有回收技术、梯次利用方案及回收框架/技术。主要目标包括：基于成本、环境影响及实用性，建立回收效率与方法学的客观对比体系；考察评估梯次应用的技术与财务双重维度；整合不同生命周期评估中梯次利用与回收方法的对比数据；分析与电池回收相关的政策框架并识别政策空白；最后提出需重点研究的新领域与战略行动建议，以推动电池回收技术的持续发展。评估这两种方案的技术背景详见第2节，具体包括：电池寿命终止时电化学降解所涉及的化学反应；判定电池是否达到寿命终止（退役状态）的参数指标；以及选择回收或二次利用方案时的决策流程。