新能源產業化：清潔高值利用的探索

走好新能源產業化發展的最后一公里：

清潔高值利用

近年來，我國新能源產業快速發展，動力電池、光伏等新能源設備大量應用，裝機規模穩居全球首位。隨著產業加速升級和設備更新換代，新能源設備迎來批量退役浪潮。新能源廢料的物質組成與對應產品相同，因而含有多種有價組分，資源回收價值極高，但組元間結合方式多樣、賦存特征復雜、環境危害大等特征為新能源廢料資源循環工藝綠色設計與制造帶來了難題。資源供給與環境安全是新能源行業可持續發展的關鍵，在原材料對外依存度高、價格波動、污染物嚴格管控等背景下，推動二次資源循環清潔利用是實現這一目標的重要抓手。因此，新能源廢料清潔高值化利用技術的突破將有利于防范化解原材料供給風險，對保障國家資源安全、生態安全和助力“雙碳”目標實現具有重要戰略意義。

秦 冰

中石化集團公司高級專家

教授級高級工程師

新能源產業化所遇到的難題

新能源是相對傳統能源來定義。從大的宏觀發展角度來看，人類發展已經經歷了三次工業革命，我們目前正在經歷第四次工業革命。前三次工業革命中能源驅動由煤向石油、電力轉變，其中的電力也主要依托不可再生的化石能源經過一次加工獲得。因此，總的來說，前三次工業革命的能源載體未發生本質的變化，均以不可再生的化石能源為主。歷經百年的化石能源開發和利用，不僅帶來了化石能源消耗危機，還產生了全球生存環境劣化的風險。隨著不斷開采，不可再生的化石能源儲量越來越少，開采場景越來越復雜。此外，化石能源消耗的最終產物為二氧化碳，伴隨著化石能源的消耗進入環境體系的二氧化碳不斷累積，造成全球氣候變暖。從2000年起，全球科技創新進入空前密集期，在能源驅動領域產生的以清潔技術可持續為目標的新技術正在引發全球能源變革。能源轉型使得工業國家的能源依賴從傳統能源逐漸轉向關鍵礦產。與傳統工業依靠石油、煤炭驅動不同，低碳時代新工業的礦物密集型特征更加突出。隨著風電、光伏、動力電池等新能源產業化技術的不斷成熟，世界各國均已開啟新能源技術的商業化推廣。與風力發電設備不同，光伏太陽能板以及用于新能源汽車的動力電池不僅應用體量大，其退役產品占據新能源廢料的80%左右，而且資源化利用存在技術壁壘，面臨拆解、分離以及污染控制的技術難題。

▲不同時期對于能源驅動主體的創新需求

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，具有與原始產品相同的物質組成。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力電池為電池包。電池包的組成可以分為四個層級，分別是單體電池、單體電池包、單個模組、單個電池包，其中單體電池是廢舊動力電池的最基本組成。單體電池主要結構包括電池殼和電芯，其中電芯包括正極、負極、隔膜、集流體和電解液。

▲圓柱型鋰離子電池結構示意圖

（2）退役晶體硅光伏板的組成

標準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。目前比較傳統的晶體硅光伏組件制作工藝是以復合氟塑料膜（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，進行層壓；在真空環境下加熱至一定溫度后，EVA發生熔化；當溫度降至150℃時，EVA固化，從而將太陽電池緊密固定，形成一種“三明治”結構。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。在熔融狀態下，EVA與晶體硅太陽電池片、玻璃、TPT間產生粘合，在這過程中既有物理也有化學的鍵合作用。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，其主要起著網絡形成體的作用，其用量占據玻璃組分中的一大半。

▲晶體硅光伏組件結構示意圖

新能源廢料帶來的環境問題

新能源廢料含有多種重點防控金屬以及難降解有機物，如果不加管控和處理直接堆存，將會導致嚴重的環境污染，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。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，廢舊動力電池含有鎳、銅、錳、鈷等二類重點防控重金屬以及有機氟/磷電解液、碳酸二甲酯等酯類廢有機溶劑，釋放到環境中后會對生態環境造成嚴重污染。這些物質在環境中暴露后可以通過各種途徑進入人體內，長期積累難以排除，損害身體健康。此外，組成光伏板的有機封裝膠膜、接線盒等聚合物的焚燒又會釋放二氧化硫、氟化氫等有毒有害氣體；退役動力電池的高殘余能量也會產生爆炸風險。

▲隨意堆存的廢舊動力電池和光伏板的環境危害

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型關鍵原材料的供應息息相關。能源轉型使得工業國家的能源依賴從傳統能源逐漸轉向關鍵礦產。與傳統工業依靠石油、煤炭驅動不同，低碳時代新工業的礦物密集型特征更加突出。清潔能源相關產業需要投入大量特定礦產，供需不匹配問題已是迫在眉睫。首先，能源轉型所需的原材料對多種關鍵礦產的依賴程度極高，包括稀土元素、銅、鎳、鋰、鈷、錳、石墨、硅和鉑族元素等。因此，發展循環型關鍵原材料產業，將回收利用整合到價值鏈可以有效減輕初級供應壓力。

（2）新能源廢料的清潔高值化利用對保障國家生態、健康，助力“雙碳”目標實現具有重要意義。新能源設備的批量退役將產生大量新興固廢，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，如果處理不當將對生態環境造成不可逆轉破壞。因此，如何避免新能源產業“爆發式增長”帶來的關鍵資源供應風險和“爆發式污染”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濟和社會效益。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。據測算，到2050年廢舊光伏板回收的累積經濟價值將達到1060億元。

結語

總的來說，新能源廢料作為一類典型的人造礦物，具有與原始產品相同的物質組成，通過清潔高值化利用不僅可以擴寬原材料來源，減輕關鍵金屬的供應壓力，而且可以避免退役產品所導致的環境污染，實現以關鍵技術創新賦能潔凈能源產業綠色高質量發展。

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