車用鋰離子電池的回收技術(上)

刊登日期:2015/10/12
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李守仁/ 健行科技大學、白立文/ 工研院材化所

石油上漲與節能減碳的風潮促成了電動車的大幅成長。電動車經一段時間的使用之後,必須進行電池的汰換。上市至今不過數載的電動車,其鋰離子電池的大量汰換潮目前還未出現。然而鋰離子電池的回收相關技術,實有及早布局規劃的需要。本文探討世界各國電動車鋰離子電池回收技術之發展狀況。電動車鋰離子電池的再利用與回收可區分為模組(或單電池)、材料二類來進行探討。前者於拆卸之後係以模組(或單電池)為更換單位,藉由單位仍具之若干功能,重新組合成具堪用價值的系統,以進行再利用;後者則著重於構成電池之原材料的回收,為提取原材料其回收常涉及化學反應。然而,回收之前的電池劣化診斷,有助於確認回收之必要性以及時間點之恰當性。

一、電池劣化診斷技術
應用於電動車的鋰離子電池因車輛的使用頻率以及使用環境,在各種狀況下電池會產生容量或輸出功率下降等現象。電池容量下降時,電動車充飽電後的行駛距離變短。三菱汽車預測其i-MiEV電動車,行駛5年後的電池容量約為新車時的80%,10年後約為70%;日產汽車預測Leaf電動車電池5年後的容量則約為新車時的80%。

電池輸出功率需能提供車輛起動或加速時必要的能量。電動車於起動時的加速需有高功率的輸出,此時若電池無法提供必要的功率,會發生發動機熄火、汽車停止運轉的危險性。當電池的輸出功率顯示低於新車出廠時的70%時,電池將無法提供汽車足夠的功能。

由電動車淘汰的鋰離子電池,可再應用於定置用蓄電池(住宅用或產業用)等未如汽車般要求高功率輸出的用途。電池的劣化程度可用以判斷其堪用期限與再利用價值,所以必需進行電池的劣化診斷。

如何在不解體鋰離子電池狀態下進行非破壞的電池劣化診斷,一直是研究人員殫精竭慮所挑戰的任務。在「某些狀態」時電池會發生快速劣化,但什麼時候會發生「某些狀態」﹖或是使用多久後會發生﹖劣化的判斷相當困難。多數車廠與電池廠都紛紛投入相關研究,然而現況是:目前還沒有實際使用達5年或10年的車輛,無法收集到完整的資料,也就難以進行高精密度的診斷。因此,上述三菱汽車、日產汽車之容量或輸出功率下降乃是公司「預測」之行駛5年後的劣化。

 車廠自電動車中取出鋰離子電池再利用,目前仍處於與商社或電池廠合作的實證測試階段。電池廠基於製程技術機密,對於劣化診斷的結果並不公開。因此,電池廠以外的廠商或機構很難進行電池劣化診斷研究。即使有專利權的保護(表一),多數電動車車廠均以垂直整合電池廠方式提供所使用的電池。即使在此種狀況,仍有組織投入電池的劣化診斷研究,研發一般廠商電池均能通用的鋰離子電池診斷技術,並將開發出的劣化診斷設備提供予回收鋰離子電池的公司。如果車廠或電池廠可以開放更多的資訊,相信對劣化診斷技術的進展會有很大的助益,然而,機密事項是不會含括在開放項目中。不具自行研發能力的鋰離子電池回收業者,只能期待車廠、電池廠以外的組織所開發的共通回收技術。表一為鋰離子電池劣化診斷相關專利之一覽表。

二、鋰離子電池模組(單電池)的再利用
電動車使用壽命約15年,配備的鋰離子電池經7〜10年後,其蓄電容量推估將降為新品的70〜80%。蓄電容量僅70%的劣化電池,不再適用於電動車,但可再利用於家庭、商業用備用電源,或是風力、太陽光電等再生能源之儲電用途等。充分的回收再利用,可降低相對高價之鋰離子電池的成本,有利於價格競爭力提升。然而,再利用電動車淘汰下來的鋰離子電池時,目前仍存在下列挑戰-----以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

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