由于欧盟管理电池市场的新法规获得批准,电动汽车电池的可持续性、设计和回收将进行彻底改革。2023年6月,议会批准了制定电池要求的新规定,包括“电池护照”和某些材料的回收。近年来,电动汽车市场一直趋向于更大的系统集成,电池到车身和电池到底盘设计等技术可能更难从车辆上拆卸和/或拆除。这种情况会随着这些新规定的通过而改变吗?
新的欧盟法规涵盖了电池的整个生命周期,从开采材料到使用寿命结束时的回收。为了减少初始制造的影响,要求电池中有更多的回收成分,但也要求必须从废电池中回收多少锂(到2027年回收50%,到2031年回收80%)和钴、铜、铅和镍(到2023年回收90%,到2033年回收95%)。IDTechEx的锂离子电池回收市场研究发现,2043年将回收2380万吨锂离子电池。从长远来看,让使电池易于从车辆上拆卸下来并拆成零件可以帮助回收商。
CTP(Cell to Pack)电池组的设计使得电芯不再被分割成几个模块。相反,所有电池都直接堆叠在一起,以减少不必要的材料和重量,提高能量密度,简化制造,并降低成本。根据IDTechEx的研究,电池与电池组的重量比(电池占电池组重量的比例)平均增加了20%。电池到车身(Cell-to-body,CTB)或电池到底盘(cell-to-chassis,CTC)更进一步,使电池组成为车辆结构的结构部件,再次实现更大的集成并降低车辆的整体重量。市场一直朝着这个方向发展,比亚迪等制造商已经大量部署了CTP系统,而特斯拉4680的CTC设计也变得越来越普遍。
最初,考虑到电池组中的整体零件较少,人们可能会期望电池组到电池组的设计更容易拆卸到电池组级别。然而,CTP的设计通常会更多地使用结构粘合剂或封装泡沫,这通常会使拆卸电池组变得非常困难,并且在发生故障时的标准方法是完全更换电池组。如果所用的粘合剂或密封剂可以用溶剂溶解,而不会对电池造成太大损伤,那么这可以使回收更加简单,并成为材料供应商的一个可行的分化点。从电池到底盘,移除CTC电池组可能会成为一项更艰巨的任务,使回收商的工作更加困难。
对于电池设计者来说至关重要的是,欧盟法规没有对电池组的内部结构(模块结构、电池隔膜、粘合剂等)做出任何规定。一种回收方法是压碎/研磨电池。然后对其进行筛分,将较大颗粒与较小颗粒分离,后者含有有价值的电极材料。然后使用湿法冶金对黑色物质进行进一步处理,以回收电池级金属盐形式的锂、钴、镍等。理想情况下,这一过程将仅从电池开始,这样产生的黑色物质中的临界金属比例会更高。一些人将整个模块放入研磨机中;人们也可以处理整个电池组,在这种情况下,电池的设计在寿命结束时意义不大,设计者可以从较低的成本和更容易制造的电池组中获得短期利益。然而,这将使提取的后期阶段更加困难。
除了回收,电动汽车电池还有机会用于第二生命应用,例如作为固定储能器。IDTechEx关于第二生命电动汽车电池的报告发现,到2033年,其市场将达到70亿美元。这在短期内绕过了回收电池的需要,大多数二次电池制造商目前都选择在电池组级别集成电池,以避免复杂的拆卸程序。如果电池组构成车辆的结构部分,那么这将增加拆卸时间,使二次生命的重新利用成为一个更昂贵的过程。然而,如果再制造商假设拆解到电池水平,以利用其二次寿命电池中性能最好的电池,则电池到电池组的设计(不是电池到底盘的设计)可以减少拆解时间并降低再制造成本,从而有利于性能更好的二次寿命系统。
总之,CTP设计不太可能消失。由于制造成本的降低和能源密度的提高,汽车一体化的趋势可能会继续下去。电动汽车电池组的使用寿命通常比许多人最初预期的要长,但在未来,一旦更多的电动汽车电池的使用寿命结束,回收大量高度集成的电池组很困难,设计师必须在未来更加仔细地考虑这一点,尤其是在关键材料的回收目标变得更加严格的情况下。