走好新能源產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的最后一公里：

清潔高值利用

近年來，我國新能源產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，動(dòng)力電池、光伏等新能源設(shè)備大量應(yīng)用，裝機(jī)規(guī)模穩(wěn)居全球首位。隨著產(chǎn)業(yè)加速升級(jí)和設(shè)備更新?lián)Q代，新能源設(shè)備迎來批量退役浪潮。新能源廢料的物質(zhì)組成與對(duì)應(yīng)產(chǎn)品相同，因而含有多種有價(jià)組分，資源回收價(jià)值極高，但組元間結(jié)合方式多樣、賦存特征復(fù)雜、環(huán)境危害大等特征為新能源廢料資源循環(huán)工藝綠色設(shè)計(jì)與制造帶來了難題。資源供給與環(huán)境安全是新能源行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，在原材料對(duì)外依存度高、價(jià)格波動(dòng)、污染物嚴(yán)格管控等背景下，推動(dòng)二次資源循環(huán)清潔利用是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要抓手。因此，新能源廢料清潔高值化利用技術(shù)的突破將有利于防范化解原材料供給風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)保障國家資源安全、生態(tài)安全和助力“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)具有重要戰(zhàn)略意義。

秦 冰

中石化集團(tuán)公司高級(jí)專家

教授級(jí)高級(jí)工程師

新能源產(chǎn)業(yè)化所遇到的難題

新能源是相對(duì)傳統(tǒng)能源來定義。從大的宏觀發(fā)展角度來看，人類發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了三次工業(yè)革命，我們目前正在經(jīng)歷第四次工業(yè)革命。前三次工業(yè)革命中能源驅(qū)動(dòng)由煤向石油、電力轉(zhuǎn)變，其中的電力也主要依托不可再生的化石能源經(jīng)過一次加工獲得。因此，總的來說，前三次工業(yè)革命的能源載體未發(fā)生本質(zhì)的變化，均以不可再生的化石能源為主。歷經(jīng)百年的化石能源開發(fā)和利用，不僅帶來了化石能源消耗危機(jī)，還產(chǎn)生了全球生存環(huán)境劣化的風(fēng)險(xiǎn)。隨著不斷開采，不可再生的化石能源儲(chǔ)量越來越少，開采場(chǎng)景越來越復(fù)雜。此外，化石能源消耗的最終產(chǎn)物為二氧化碳，伴隨著化石能源的消耗進(jìn)入環(huán)境體系的二氧化碳不斷累積，造成全球氣候變暖。從2000年起，全球科技創(chuàng)新進(jìn)入空前密集期，在能源驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域產(chǎn)生的以清潔技術(shù)可持續(xù)為目標(biāo)的新技術(shù)正在引發(fā)全球能源變革。能源轉(zhuǎn)型使得工業(yè)國家的能源依賴從傳統(tǒng)能源逐漸轉(zhuǎn)向關(guān)鍵礦產(chǎn)。與傳統(tǒng)工業(yè)依靠石油、煤炭驅(qū)動(dòng)不同，低碳時(shí)代新工業(yè)的礦物密集型特征更加突出。隨著風(fēng)電、光伏、動(dòng)力電池等新能源產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的不斷成熟，世界各國均已開啟新能源技術(shù)的商業(yè)化推廣。與風(fēng)力發(fā)電設(shè)備不同，光伏太陽能板以及用于新能源汽車的動(dòng)力電池不僅應(yīng)用體量大，其退役產(chǎn)品占據(jù)新能源廢料的80%左右，而且資源化利用存在技術(shù)壁壘，面臨拆解、分離以及污染控制的技術(shù)難題。

▲不同時(shí)期對(duì)于能源驅(qū)動(dòng)主體的創(chuàng)新需求

新能源廢料的組成特征

新能源廢料作為一類典型的人造礦物，具有與原始產(chǎn)品相同的物質(zhì)組成。以下以廢舊鋰離子電池和退役晶體硅光伏板為例，展開介紹其物質(zhì)組成：

（1）廢舊鋰離子電池的組成

通常而言，從新能源汽車上拆解下的廢舊動(dòng)力電池為電池包。電池包的組成可以分為四個(gè)層級(jí)，分別是單體電池、單體電池包、單個(gè)模組、單個(gè)電池包，其中單體電池是廢舊動(dòng)力電池的最基本組成。單體電池主要結(jié)構(gòu)包括電池殼和電芯，其中電芯包括正極、負(fù)極、隔膜、集流體和電解液。

▲圓柱型鋰離子電池結(jié)構(gòu)示意圖

（2）退役晶體硅光伏板的組成

標(biāo)準(zhǔn)晶體硅太陽電池的厚度約為200μm，太陽電池之間由銅焊帶連接，電池表面的絕緣封裝材料通常采用乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）來粘合電池、表面玻璃板及背板。目前比較傳統(tǒng)的晶體硅光伏組件制作工藝是以復(fù)合氟塑料膜（TPT）或玻璃板材作為基板，太陽電池的兩面用切割好的EVA敷好，進(jìn)行層壓；在真空環(huán)境下加熱至一定溫度后，EVA發(fā)生熔化；當(dāng)溫度降至150℃時(shí)，EVA固化，從而將太陽電池緊密固定，形成一種“三明治”結(jié)構(gòu)。EVA是一種熱熔膠黏劑，用于上蓋玻璃板和背板與晶體硅太陽能電池片的粘合。在熔融狀態(tài)下，EVA與晶體硅太陽電池片、玻璃、TPT間產(chǎn)生粘合，在這過程中既有物理也有化學(xué)的鍵合作用。光伏焊帶又稱為鍍錫銅帶，用于光伏組件電池片的鏈接。晶硅光伏組件中的鋼化玻璃主要成分為二氧化硅，其主要起著網(wǎng)絡(luò)形成體的作用，其用量占據(jù)玻璃組分中的一大半。

▲晶體硅光伏組件結(jié)構(gòu)示意圖

新能源廢料帶來的環(huán)境問題

新能源廢料含有多種重點(diǎn)防控金屬以及難降解有機(jī)物，如果不加管控和處理直接堆存，將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染，危害人體生命健康。無論是廢舊電池還是退役光伏組件，其均含有多種有毒有害物質(zhì)。退役晶體硅光伏板含有鉛、錫、鎘等具有較高浸出毒性的重金屬，廢舊動(dòng)力電池含有鎳、銅、錳、鈷等二類重點(diǎn)防控重金屬以及有機(jī)氟/磷電解液、碳酸二甲酯等酯類廢有機(jī)溶劑，釋放到環(huán)境中后會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。這些物質(zhì)在環(huán)境中暴露后可以通過各種途徑進(jìn)入人體內(nèi)，長期積累難以排除，損害身體健康。此外，組成光伏板的有機(jī)封裝膠膜、接線盒等聚合物的焚燒又會(huì)釋放二氧化硫、氟化氫等有毒有害氣體；退役動(dòng)力電池的高殘余能量也會(huì)產(chǎn)生爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

▲隨意堆存的廢舊動(dòng)力電池和光伏板的環(huán)境危害

新能源廢料清潔高值化利用的重要意義

（1）新能源廢料的清潔高值化利用與全球能源轉(zhuǎn)型關(guān)鍵原材料的供應(yīng)息息相關(guān)。能源轉(zhuǎn)型使得工業(yè)國家的能源依賴從傳統(tǒng)能源逐漸轉(zhuǎn)向關(guān)鍵礦產(chǎn)。與傳統(tǒng)工業(yè)依靠石油、煤炭驅(qū)動(dòng)不同，低碳時(shí)代新工業(yè)的礦物密集型特征更加突出。清潔能源相關(guān)產(chǎn)業(yè)需要投入大量特定礦產(chǎn)，供需不匹配問題已是迫在眉睫。首先，能源轉(zhuǎn)型所需的原材料對(duì)多種關(guān)鍵礦產(chǎn)的依賴程度極高，包括稀土元素、銅、鎳、鋰、鈷、錳、石墨、硅和鉑族元素等。因此，發(fā)展循環(huán)型關(guān)鍵原材料產(chǎn)業(yè)，將回收利用整合到價(jià)值鏈可以有效減輕初級(jí)供應(yīng)壓力。

（2）新能源廢料的清潔高值化利用對(duì)保障國家生態(tài)、健康，助力“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)具有重要意義。新能源設(shè)備的批量退役將產(chǎn)生大量新興固廢，而大部分新興固廢都含有類似有毒有害組分，如晶硅組件中含有的鉛、錫，鋰電池含鎳等物質(zhì)，如果處理不當(dāng)將對(duì)生態(tài)環(huán)境造成不可逆轉(zhuǎn)破壞。因此，如何避免新能源產(chǎn)業(yè)“爆發(fā)式增長”帶來的關(guān)鍵資源供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)和“爆發(fā)式污染”的隱患，值得警惕。

（3）新能源廢料的清潔高值化利用具有巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。若能全量回收，到2030年，可從廢棄光伏組件中得到145萬噸碳鋼、110萬噸玻璃、54萬噸塑料、26萬噸鋁、17萬噸銅、5萬噸硅和550噸銀。據(jù)測(cè)算，到2050年廢舊光伏板回收的累積經(jīng)濟(jì)價(jià)值將達(dá)到1060億元。

結(jié)語

總的來說，新能源廢料作為一類典型的人造礦物，具有與原始產(chǎn)品相同的物質(zhì)組成，通過清潔高值化利用不僅可以擴(kuò)寬原材料來源，減輕關(guān)鍵金屬的供應(yīng)壓力，而且可以避免退役產(chǎn)品所導(dǎo)致的環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)以關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新賦能潔凈能源產(chǎn)業(yè)綠色高質(zhì)量發(fā)展。

07-17熱文

07-12熱文

微信號(hào)｜大美科學(xué)