2021年动力电池回收行业研究报告_电气经济_机械工业北京电工技术经济研究所

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2021年动力电池回收行业研究报告

作者:   来源:新能源汽车产业动态 时间:2021-11-25

动力电池退役期来临与锂资源约束,锂电回收势在必行。碳中和背景下,电动车和储能市场将快速增长。我们测算 2020-2060 年锂电潜在需求量累计将达到 25TWh,若按 1GWh 电池对应碳酸锂需求约 600 吨,则碳酸锂需求约为 1500 万吨。综合考虑环保因素、锂资源区域约束、锂价格因素,废旧锂电池回收是一项必要工作。

然而当前政策正在完善,标准、价格是核心掣肘。至 2030 年,三元与磷酸铁锂电池回收将成为千亿市场。对于三元电池,通过 材料回收方法,可具有一定经济性,市场将率先起量,2022-2023 年将是行业重要拐点,我们估算 2019 年可回收三元正极 0.13 万吨,随后逐年递增至 2030 年的 29.25 万吨;在现价情况下 2020-2030 年三元电池累计回收空间将达 1305 亿元。

磷酸铁锂电池直接拆解材料回收的经济效益并不大,为弥补经济性方案:

1)先通过梯次利用提高收益、2)处理成本通过行政手段及补贴内部化。对于磷酸铁锂电池,我们预测 2030 年报废铁锂电池将达到 31.33 万吨,考虑拆解回 收与梯次利用后拆解材料回收,二者总计可以回收锂元素 0.65 万吨;在中残值、 现价情况下,2020-2030 年磷酸铁锂电池梯次利用/回收累计市场空间分别将达 到 680/163 亿元。国内以湿法为主的回收工艺,前驱体企业具有技术同源性。技术工艺方面,国 外的技术路线以火法为主,国内主要动力电池回收企业主要技术路线为湿法。由于湿法与干法工艺有较大差异,工艺路径相似的正极前驱体企业具有技术同源性,在开展锂电回收布局上更具有技术优势。

海外动力电池回收模式可作为他山之石。参考欧美发达国家,动力电池生产商往往承担电池回收的主要责任,主机厂和电池租赁公司起到配合回收的作用。依据责任主体的不同可以分为以日本为代表的动力电池生产商回收模式(包括经过电动汽车经销商、电池租赁公司)、以欧美国家为代表的行业联盟回收模式(动力电池生产商联合形成回收联盟)以及第三方回收模式。

1、着眼于未来:我们为什么要回收锂电?

1.1、 电动车产业快速发展,动力电池退役量庞大

全球新能源汽车行业发展迅速,2020 年全球新能源汽车销量 309.52 万辆,同比 +40.16%,其中纯电动汽车销量 212.61 万辆,同比+29.58%,在新冠肺炎疫情的冲击下逆势增长。我们预计 2021-25 年全球新能源汽车销量增速有望在 30% 以上,到 2025 年销量将突破 1300 万辆。

中国新能源汽车产业于 21 世纪初期兴起,自 09 年“十城千辆”工程启动, 2013-14 年推广应用新能源汽车并免征购置税,2015 年 4 月财政部发布《关于 2016-2020 年新能源汽车推广应用财政支持政策的通知》,对新能源汽车购买给 予补助实行普惠制,财政补贴成为推动中国新能源产业的主要增长力量。随着新能源汽车购置补贴逐步退坡,2017 年开始推行的“双积分”政策接力继续推动新能源产业发展。我们预计我国新能源汽车销量未来 5 年增长率稳定在 30%-40%,到 2025 年有望超过 600 万辆。

在电动汽车市场快速增长带动下,动力型锂离子电池继续保持快速增长势头。按 照正极材料动力电池可分为三元电池、磷酸铁锂电池及其他电池。目前看,海外以三元电池为主,国内三元电池和磷酸铁锂同步发展。全球动力电池年新增装机量保持稳定增长,我们预计 2025 年装机量可达 623GWh;国内装机量可达 312GWh。其中三元电池装机量达 174.5GWh,磷酸铁锂装机量达 137.4GWh。

1.2、 全球电动化趋势下,锂资源约束几何

在碳中和背景下,电动车和储能市场将快速增长,根据 BNEF 在 2020 年的预测:

(1)2020-2040 年,全球电动乘用车销售量将从约 200 余万辆,增加至约 5500 万辆(约 3300GWh,以 60kWh/辆计算),是 2020 年的 27.5 倍;

(2)2020-2050 年,全球储能市场累计装机量将从约 20GWh,增至约 1700GWh, 是 2020 年的 85 倍。

如果以电动车 8 年一个更换周期计算累计量,并假设储能装机大部分采用锂电, 对锂电需求量进行测算,2020-2060 年累计将达到 25TWh,若按 1GWh 电池对 应碳酸锂需求约 600 吨,则碳酸锂需求约为 1500 万吨。

从世界锂资源的勘探量来看,我们并不需要担心锂资源不够用,但我们依然需要关注区域上的资源约束。

(1)资源量较高的是盐湖中的锂,如果提纯技术能够进步、生产成本能够降低, 问题将能够较好的解决;

(2)中国优质的锂资源与世界其他地区相比较少,考虑我国是锂电中游产业链以及下游应用市场核心,因此需要考虑资源掣肘;

(3)从锂盐产能、成本分布和锂价趋势看,不同资源禀赋、地区政策导致开采难度和投资、成本不同,未来不同时间、不同区域供需有一定的错配,锂价格大幅波动也再所难免,若锂价大幅上涨,将不利于实现碳中和愿景。

因此,综合考虑环保因素、锂资源区域约束、锂价格因素,对使用过的锂电池进行回收也是一项必要的工作。

1.3、 动力电池梯次利用与材料回收市场空间

1.3.1、动力电池报废量及梯次利用量空间预测

我们对未来三元电池的金属回收市场空间及磷酸铁锂电池的梯次利用与回收市场空间设计了测算模型,首先作出如下假设:

(1)三元电池:

1)在循环充放电过程中电池容量会逐渐衰减,当衰减至 80%以下时,便达到退役状态。通常,动力电池的服役年限在 5 年左右。我们假设三元电池与磷酸铁锂 电池的有效寿命均为 5 年。因此,截至目前,第一批动力电池己经到达退役年限,今后将迎来较为持续且不断扩大的动力电池回收市场。在此假设下,2014 年装机的三元(磷酸铁锂)电池将在 2019 年全部拆解回收,2015 年装机的三元(磷酸铁锂)电池将在 2020 年全部拆解回收,以此类推。

2)对退役三元电池的处理主要采取拆解回收的方式。拆解回收主要是对正极材 料中的钴、镍、锰、锂等金属材料的回收再利用,而正极材料又分为 NCM333、 NCM523、NCM622、NCM811 等,且不同的技术路线能量密度不同。随着三元电池行业的发展,高镍、无钴成为主要发展趋势,我们对未来年份正极材料各金属占比进行假设,并进行测算。

(2)磷酸铁锂电池:

1)2017 年 9 月 28 日,工信部、财政部、商务部等五部门联合公布了《乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法》即“双积分”政策,强调提高新能源车电池能量密度。由于磷酸铁锂电池能量密度的劣势,其市场竞争力一度下滑。补贴政策退坡后,由于钴价的持续走高,无钴电池受到市场青睐,而高镍三元电池的安全性还有待进一步提升,同时 CTP 技术的不断深化及对低成本电池的需求提升,磷酸铁锂电池重新焕发生机。

2)磷酸铁锂退役电池宜采用先梯次利用,后拆解回收的处理顺序。目前,回收及梯次利用体系尚不健全,锂元素回收也存在经济性问题,但我们相信,随着政策的支持,以及随着储能市场兴起以及锂资源约束,市场和经济性会逐步好转。在测算中,我们对梯次利用比例进行了假设,比例从 2019 年的 5%逐步提高到 2030 年的 80%,而对没进入梯次利用体系的磷酸铁锂电池做了相对极端的假设,即假设其进入了拆解及材料回收体系,否则将污染环境,产生环境成本。

3)我们假设提升前的磷酸铁锂正极度电质量为 2.4kg/kWh,提升后变为 2.3kg/kWh,并假设 17-20 年市场逐步从低能量密度铁锂电池过渡为高能量密度铁锂电池,磷酸铁锂电池报废前后的能量密度不变。

4)储能是磷酸铁锂电池的应用场景之一,但由于其应用周期较长,一般是 15-20 年以上,故暂时不考虑储能市场磷酸铁锂电池的报废。

5)对于梯次利用后的磷酸铁锂电池,3 年后再进行拆解回收锂元素。对于三元电池,我们估算:2019 年预计可回收三元正极 0.13 万吨,随后逐年递 增至 2030 年的 29.25 万吨。

根据各类型三元正极测算金属回收量,加总得到三元电池总的各金属回收量:

1)NCM333:随着 2014 年安装的 NCM333 三元电池于 2019 年开始退役, 2019 到 2022 年 NCM333 回收量逐步增加,2022 年达峰值 1.28 万吨,随后由于 NCM333 的退出而逐步减少,至 2026 年回收量归零;

2)NCM523:2016 年开始进入市场的 NCM523 于 2021 年开始报废回收,随 后回收量于 23-28 年稳定在 4-6 万吨之间,预计 2030 年上涨至 10.78 万吨;

3)NCM622:2017 年流入市场的 NCM622 于 2022 年开始报废回收,回收量小幅上涨,直到 28 年上涨幅度增加,预计 2030 年可回收 6.03 万吨;

4)NCM811:2018 年流入市场的 NCM811 于 2023 年开始报废回收,预计 2030 年可增长至 12.44 万吨。

预计 2030 年可回收锂 2.09 万吨,镍 11.47 万吨,钴 2.80 万吨,锰 3.23 万吨。

对于磷酸铁锂电池,我们预测:

1)2030 年,报废铁锂电池将达到 31.33 万吨;

2)随着梯次利用逐年上升,预计 2030 年可梯次利用的铁锂电池达 109.93GWh, 共 25.06 万吨;其余 6.27 万吨进行拆解回收,可回收锂元素 0.28 万吨;

3)2027 年梯次利用的磷酸铁锂电池将在 2030 年达到报废标准,此时拆解回收 8.604 万吨,可回收锂元素 0.379 万吨。二者总计可以回收锂元素 0.65 万吨。

1.3.2、动力电池报废及梯次利用市场空间敏感性预测

由于金属价格变动对动力电池回收和梯次利用经济性、市场释放和产值空间有着 巨大影响,我们对未来三元电池的金属回收市场空间及铁锂电池的回收与梯次利 用市场空间设计了价格敏感性分析,并作出如下假设:

2)进行敏感性分析时,我们在改变金属市场价格的同时,三元电池正极材料占比与磷酸铁锂电池梯次回收比例不变。

3)我们假设磷酸铁锂电池的每瓦时价格从 2014 年的 2.17 元/Wh 降低至 2025 年的 0.55 元/Wh,其中 21-25 年降低速度逐渐减慢。梯次利用的残值价格分为 高(40%)、中(30%)、低(20%)三档分别进行残值折算。

在金属处于高价时,到 2030 年三元电池锂/镍/钴/锰回收市场空间预计 195.82/176.63/186.13/6.40 亿元。在金属处于现价时,2030 年三元电池锂/镍/ 钴/锰回收市场空间预计 103.67/154.24/85.80/5.29 亿元。在金属处于低价时, 2030 年三元电池锂/镍/钴/锰回收市场空间预计 81.68/73.65/54.41/3.00 亿元。2020-2030 年三元电池累计回收空间在现价情况下将达到 1305 亿元。

在高残值下,2030 年铁锂电池梯次利用市场空间预计 241.24 亿元,中残值时预计 180.93 亿元,低残值时预计 120.62 亿元。中残值情况下,2020-2030 年铁锂电池梯次利用累计市场空间将达到 680 亿元。

在锂金属处于高价时,2030 年磷酸铁锂电池锂元素回收市场空间预计 61.17 亿 元,现价时预计 32.38 亿元,低价时预计 25.52 亿元。2020-2030 年磷酸铁锂电池锂累计回收市场空间在现价情况下将达到 163 亿元。

2、聚焦产业链:应当如何回收动力电池?

2.1、 政策正在完善,标准、价格是核心掣肘

2016 年 12 月,工信部发布《新能源汽车动力蓄电池回收利用管理暂行办法》 (征求意见稿),明确了汽车生产企业承担动力蓄电池回收利用主体责任。生产者责任延伸制度(EPR)是指将生产者的责任延伸到产品的整个生命周期,特别是产品消费后的回收处理与再生利用阶段,要求生产者在产品全生命周期担责, 把生产和回收串联起来,提升回收利用率。

2018 年 7 月,工信部、科技部等七部门联合印发《关于做好新能源汽车动力蓄 电池回收利用试点工作的通知》,决定在京津冀地区、山西、上海、江苏、浙江、 安徽、广东等 17 个地区及中国铁塔开展新能源汽车动力蓄电池回收利用试点工作,并确定各试点地区相应的目标任务,这有助于建立相对集中、跨区联动的回收体系。随着相关政策的陆续出台,动力电池回收体系也将加速完善。动力电池回收试点工作的开展,标志着我国动力电池回收进入大规模实施阶段。

2020 年 7 月,工信部发布《2020 年工作节能与综合利用工作要点》,要求推动新能源汽车动力蓄电池回收利用体系建设;深入开展试点工作,加快探索推广技术经济性强、环境友好的回收利用市场化模式,培育一批动力蓄电池回收利用骨 干企业;研究制定《新能源汽车动力蓄电池梯次利用管理办法》,建立梯次利用 产品评价机制;依托“新能源汽车国家监测与动力蓄电池回收利用溯源综合管理 平台”,健全法规,督促企业加快履行溯源和回收责任。动力电池回收体系的评价机制及法律法规的完善,标志着我国动力电池回收体系框架正在日趋成熟。

虽然顶层设计逐步在完善,但目前动力电池回收受到以下三个问题的掣肘,使政策开展较为困难:

1.电池残值量的测量标准难以估计:动力电池在循环充放电过程中电池容量会逐渐衰减,当衰减至 80%以下时,便达到退役状态。而目前对于动力电池的健康度 SOH(State-of-health)有很多种定义,包括根据容量衰减定义、根据剩余放电量定义剩余循环次数定义以及根据内阻定义。因此政策制定者对于动力电池残值剩余量的标准测定标准存在一定困难。

2.金属价格波动影响材料回收经济性:金属价格的波动会最终决定动力电池回收市场的盈亏,而金属价格又是受资源供给、技术进步、下游市场综合因素所影响, 存在技术周期、产能周期,故金属价格是动力电池回收的市场驱动的决定性要素,既影响动力电池的商业模式,也影响政策制定和执行的有效性。

3.梯次利用技术标准:对于磷酸铁锂电池一个重要的回收方式就是梯次利用,梯次利用方式、安全性等因素困扰着标准制定,标准过高会造成梯次利用市场的萎 缩,标准过低又不利于梯次利用市场长期发展。

因此,这些问题都需要在实践中不断总结、不断反馈,进一步完善政策标准、以及商业模式。

2.2、 动力电池回收渠道与再生利用方法论

动力电池的回收过程中有不同的参与主体和回收路径,这主要是由于不同动力电池间存在销售方式、使用形式、所有权归属的不同。目前在我国,动力电池的回收渠道主要有小型回收公司、专业回收公司、政府回收中心。近年来,为规范动力电池回收市场,我国相继出台了动力电池拆解回收相关技术标准:

参考欧美发达国家的电池回收路径,动力电池生产商往往承担电池回收的主要责 任,而参与主体中的电动汽车生产商和电池租赁公司起到配合动力电池生产商回 收的作用。根据动力电池从消费者回收至动力电池生产商的路径经过的参与主体 差异,理论上可分为三种回收路线。

第一种回收路径为废旧动力电池通过电动汽车经销商回收;第二种回收路径为通 过电池租赁公司回收,废旧动力电池经过上述两种回收路径最终流向动力电池生产商(部分生产商也可以联合形成生产商联盟)进行回收处理;第三种回收路径最终流向为第三方回收公司回收处理,但是第三方回收公司需要依靠自主建立的动力电池的回收网点。

具体的,根据上述三种回收路线,参考逆向物流理论,可以建立不同的动力电池 回收路径模式。分别是以日本为代表的动力电池生产商回收模式(包括经过电动 汽车经销商、电池租赁公司)、以欧美国家为代表的行业联盟回收模式(动力电 池生产商联合形成回收联盟)以及第三方回收模式。对于不同的公司类型,由于公司现状的区别,需要根据实际情况,选择不同的回收路径模式使得利益最大化。

2.2.1、磷酸铁锂电池的梯次利用和金属回收

磷酸铁锂电池回收后两大利用途径:梯次利用与拆解回收,这两个途径并不是排 斥关系,而是互补关系。废旧电池梯次利用是指动力电池在达到设计使用寿命时,通过修复、改装或再制造等方法使其能够在合适的工作位置继续使用的过程,而这个过程一般是同级或降级的应用形式。

废旧电池的拆解回收则主要指通过化学、物理或生物手段拆解废旧电池并回收其 中的可利用资源。2017 年 2 月,国家出台的《新能源汽车动力蓄电池回收利用 管理暂行办法》提到,鼓励电池生产企业与综合利用企业合作,在保证安全可控 前提下,按照先梯次利用后再生利用原则,对废旧动力蓄电池开展多层次、多用 途的合理利用。

废旧磷酸铁锂动力电池回收后先梯次利用,后拆解回收,将最大化电池的退役后 价值。动力电池的性能会随使用次数的增加而衰减,但当动力电池不能达到电动 汽车的使用标准而退役时,其性能(电池容量)往往只下降到原性能的 80%。在电池性能仍维持在 80%-20%时,退役的动力电池可以经过相关的检测评价依 次用于低功率电动车、电网储能、家庭储能领域。而当电池性能下降至 20%时, 可以对其进行报废处理。

现行条件下,退役动力电池梯次利用在技术、市场上仍然存在较大的难度。

(1)技术角度看,动力电池与储能电池遵循的技术标准不同、储能领域对电池 的温度性能要求高,而部分退役的动力电池可能达不到储能电池的使用要求、基 于容量衰减机理分析建立电池寿命预测模型还不完善,造成梯度利用退役动力电 池在评价检测环节出现困难。

(2)市场角度看,建立梯次利用逆向物流系统较为复杂,中间涉及的环节较多, 比直接的物理、化学、生物拆解回收复杂、消费者心理上对梯次利用电芯的市场 接受度较低。

相较于梯次利用,退役动力电池拆解回收在技术上则相对成熟。废旧的动力电池 处理技术可以分为物理法、生物法及化学法;物理方法包括破碎浮选法和机械研 磨法,但其分离效率极低,有价金属回收一般还需要后续的处理流程;生物法利 用微生物分解代谢,实现金属离子的选择性浸出与回收,但是生物法基本还停留 在实验室研究侧层面,离大规模应用有一定距离。

拆解回收的主流方法基本上属于化学法,包括三种处理工艺,火法处理、湿法处 理、电极修复再生。火法处理是一种比较初级的废物处理方法,主要原理是将电 池拆解或破碎后高温焚烧使电池内的有机物氧化分解,电极材料和包装材料中的 金属元素转变为稳定的金属氧化物,然后再进行分离回收。湿法处理工艺的相关 研究开展较多,主要原理是利用酸液和碱液将电极材料溶解,然后在液相中实现 各元素的分离和提纯。电极修复再生工艺是近些年兴起的处理工艺,将废旧锂离 子电池中的电极材料拆解分离,使用电化学或物理化学等方法处理,恢复其受损 的结构、电化学性能,使得材料可以再次用于使用场合或作为制备新的电极材料 的前驱体。

2.2.2、三元电池正极材料回收与再生

目前,三元正极材料回收与再生的技术路线主要分以下两种形式:

物理修复再生,对只是失去活性锂元素的三元正极材料,直接添加锂元素并通过 高温烧结进行修复再生;对于严重容量衰减、表面晶体结构发生改变的正极材料, 进行水热处理和短暂的高温烧结再生;

冶金法回收,主要有火法、湿法、生物浸出法三种方式。其中火法耗能高,会产 生有价成分损失,且产生有毒有害气体;生物浸出法处理效果差,周期较长,且 菌群培养困难;相比之下,湿法具有效率高、运行可靠、能耗低、不产生有毒有 害气体等优点,因此应用更普遍。

2.3、 他山之石,海外动力电池回收模式

2.3.1、美国:健全的电池回收法律与回收知识普及

美国废旧电池的回收法律健全,其相关法律的体系涉及联邦、州和地方各级。三 个层次的法律互相补充、互相规范,从而使得美国的电池回收法律体系完善、全 面、具体。

在联邦政府层级,政府通过颁发许可证用于监管电池制造商和废电池回收公司。

在州层级,大多数州已经采纳了由美国国际电池理事会(BCI)提出的电池回收法 规,通过参与废旧电池回收的价格机制来指导零售商和消费者。例如,《纽约州 可充电电池法》和《加州可充电电池回收法案》要求可充电电池零售商回收消费 者的一次性可充电电池而不收取任何费用。

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