废旧手机锂离子电池回收利用效益分析

目前，我国移动电话市场是世界上最活跃的通讯市场，其发展速度迅猛，年平均增长率超过100%。2002年我国的手机用户1.5亿左右，而到2005年，国内的手机用户达到3亿，成为世界第一手机使用大国。2000年，世界锂电池的产量达5亿只，我国产量约1亿只，由于电池经过几百次充放电后，电极膨胀，容量下降以至报废，因此锂电池的使用寿命一般为2～3年。并且，在电池生产过程中会产生一定量的废料，如目前天津力神电池股份有限公司产生的废料量约200t/a。因此，开展对废旧二次锂离子电池及其产生废料的回收资源化，会产生良好的经济效益、社会效益和环境效益。
1手机锂离子电池的市场现状
1998年至2002年，我国累计生产手机2.7亿部，2003年手机产量约1.56亿部，按每部手机配1.8块电池计算，2003年国内手机配套锂电池量为3.06亿块。我国移动电话用户数从1995年的360万增至2001年的14480万户。2004年我国1G+2G移动用户达2.8亿个，CDMA类达到1600万户，到2005年底我国移动用户量达到3.2亿个，按老手机50%的电池更换量计算，2005年国内届时手机电池更换量为1.2亿只。如图1所示[1]。

图1我国手机近几年产量走势
与此同时，中国发展小灵通、CDMA给锂离子电池提供了新的市场。截止2004年底，全国已有350多个城市开通了“小灵通”业务，系统总容量已达到3000万线，其用户规模甚至超过了联通CDMA，2005年用户达到3200万。按每户配1.8块电池计算，需新增电池5760万只。CDMA服务的引进及生产本地化，为国内锂电池厂商提供了大量机会来提高市场占有率。
2废旧锂离子电池回收利用的基本原则
废旧锂离子电池的回收利用主要遵循循环经济的3R[2](减量化、再利用、资源化)原则进行。
锂离子电池在流通中的流通顺序依次是设计生产环节、销售环节、消费环节、收集环节、贮存环节、运输环节、资源化处理环节、综合利用环节和无害化处理环节，它们之间相互依存与约束，是对3R原则的最好体现。如图2所示。

3废旧锂离子电池的资源化价值
3.1锂离子电池的结构组成
锂离子电池主要由外壳、正极、负极、电解液和隔离膜几部分组成。电池的正极有约90%的正极活性物质钴酸锂、约7%～8%的乙炔黑导电剂、约3%～4%的有机粘合剂均匀混合后，涂布于厚约20μm铝箔集流体上；电池的负极由约90%负极活性物质碳素材料、4%～5%的乙炔黑导电剂、6%～7%的粘合剂均匀混合后，涂布于厚约20μm铜箔流体上，正负极厚约为0.18～0.2mm，中间用厚度约10μm的聚乙烯或聚丙烯膜隔开，并充以1mol/L的六氟磷酸锂的有机碳酸酯电极液。锂离子电池的优点表现在能量密度高、平均输出电压高、输出功率大、自放电小、没有记忆效应、循环性能优越，可快速放充电、充电效率高，残留容量测试方便等。缺点主要是成本高(正极材料LiCoO2的价格高)、需特殊保护电路、与普通电池的相容性差等。
3.2锂离子电池中的金属材料含量
以常见的重约40g的手机电池为例，可看出锂离子电池中金属材料的含量[3]。如表1所示。
表1常见锂离子电池中金属含量％

钴、锂等作为生产锂离子电池的原材料，在自然界中蕴藏很少。钴是资源稀少、价格较贵的金属，它没有单独的矿床，大都伴生于铜矿、镍矿中且品位较低。世界各国都比较重视工业生产中钴的回收。我国每年钴的需求量约600～800t，其中60%以上需要进口，从表1可以看出，锂电池中含钴较高。一只重约40g的电池，含金属钴约6g。按每年报废1亿只锂离子电池计算，其中可以回收的钴就约600t，价值2亿元左右。
4国内外锂离子电池回收处理技术[4-8]
目前，国外一些公司对锂离子电池进行了回收利用。有代表性的如瑞士某公司，主要工艺是把回收来的电池经筛选和人工分拣后，经高压常温破碎→中和锂→金属分离→镍铬合金、钴及氧化锰和塑料等。而日本回收处理废电池一直走在世界前列，其工艺流程为电池组→解体塑料和金属壳回收，单体电池焙烧→粉碎→分选→筛上物磁选出铁，筛下物→酸溶解→过滤→收入溴酸反应→过滤→溴酸钴→干燥→钴化合物。 
国内有关单位研究采用硫酸介质还原浸出生产草酸钴的工艺，工艺流程为破碎解体→分选→硫酸还原浸出→净化→草酸沉钴。
5废旧锂离子电池回收利用的经济效益分析
5.1废旧锂离子电池回收量的估算
锂离子电池的使用寿命一般是2～3年，2005年底我国移动用户量达到3.2亿个，按老手机50%的电池更换量计算，2005年国内届时手机电池更换量为1.2亿只，2007年回收量为0.12亿只。
5.2开发废旧锂离子回收利用的成本要素
废旧锂离子电池资源化的成本主要包括以下几方面：废电池从消费者手中收集到废电池处理场的费用；废电池收集到处理场所后进行处理时所需的生产性支出，包括所需生产材料、人工、设备、水电以及维持企业正常运作等所必须支出的费用；回收废电池过程中的环保费用。
5.3废电池回收利用的收益
废旧锂离子电池回收利用的收益包括两方面：
(1)从回收利用过程所得的材料销售收入废电池中各类金属材料是回收利用的主要产品，其价值的高低决定于各类金属的回收率和相互分离的程度。
(2)无害化回收利用废电池带来的环境效益该部分收益往往是回收企业不能直接得到的经济回报，但对整个社会和电池行业而言收益是巨大的。
5.4废锂离子电池回收利用效益模型的建立
在这里不考虑时间因素的动态分析。

式中：Pt：为废锂离子电池回收利用第t年的总收益，元；
Pk：经回收利用后所得第k类再生材料的销售价格，元/t；
Xk：经回收利用后所得第k类再生材料的量，t；
Pk'：回收分解后第k种废品的出售价格，元/t；
Yk：回收分解后第k种废品的量，t；
Ct：废锂离子回收利用过程中总的投入，元。
5.5废电池回收利用的经济收益估算
估算每只电池质量约重25.1g，去壳后为14.5g，隔膜约0.9g。分析结果为每只电池平均含钴14.3%，含锂1.4%，含铜17.8%，含铝4.61%。
(1)钴锂膜资源化的经济效益
采用碱浸—酸浸—净化—沉钴的工艺流程从锂离子二次电池正极废料———铝钴膜中回收钴[9]。本工艺钴的直收率达95.75%，且工艺流程短，对设备要求低，具有一定的经济效益和显著的社会效益。根据目前市场行情，结合工业生产实际情况，进行了简单的经济估算：
①处理1t钴锂膜废料(117元/kg)的原材料消耗：氢氧化钠1168kg，价格2.2元/kg；98%浓硫酸2062kg，价格0.5元/kg；27.5%双氧水719kg，价格2.2元/kg；草酸铵800kg，5元/kg；一次交换水3939kg，价格0.1元/kg。原材料所消耗的费用为：126576.3元。
②处理1t废旧锂离子电池的成本及效益概算：
如表2所示。
此次计算仅为实验室情况的粗略估计，应用到实际生产时还应综合考虑各种元素，如价格波动、回收程度和纯度等。
(2)锂离子电池回收利用的经济效益
废品的回收价格：废塑料0.80元/kg，废金属(平均)38.5元/kg。分拣工人平均工资30元/(班•人)；分拣工具及分拣劳动保护用品1000元/(a•人)。经估算可知处理1t钴锂膜需要废旧锂离子电池4.3t，其中金属占38.3%，塑料占13.47%，回收利用的总收益为：56389.4元。
表2废旧锂离子电池的成本及效益概算

故废旧锂离子电池经回收利用后可得的总收益约为10.4万元。在有效的废弃锂离子电池的回收体系的支撑下，按年回收手机电池300t(约1500万支手机电池)计算，根据目前手机废电池市场价为3万元/t，每个电池应回收价值约1.5元，则年产值达到2250万元。
6结束语
目前，每年手机电池报废约1亿支，每支电池平均约重20g，其中钴含量约3g以上，目前金属钴价格40万元/吨，每吨废旧电池可回收金属160千克以上，价值64000元，全国仅就钴一项的回收价值就可达到数亿元。从废旧锂离子二次电池中还可以回收铝、铜以及有机电解液，价值都很高。进行再资源化的成本主要是机械设备运行的电力消耗、人工费、原料、运输费和企业管理费等，废旧电池回收成本。在有效的废弃手机电池回收体系的支撑下，预期年处理量为100t，年销售收入至少达到2250万元，利税达到450万元回收废弃的锂离子电池可实现材料的循环使用，具有重大的社会意义。同时，具有可观的经济、生态和社会效益，为推动循环经济的深入发展提供产业化标志。
参考文献略