新能源汽車廢棄鋰電池環(huán)境危害及處理方法

佟　玲

（聯(lián)合赤道環(huán)境評價有限公司天津300042）

新能源汽車廢棄鋰電池環(huán)境危害及處理方法

佟玲

（聯(lián)合赤道環(huán)境評價有限公司天津300042）

我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)的迅速崛起，廢舊鋰電池的回收處理問題也隨之而來。如處理不當，對環(huán)境及人體健康危害巨大。分析了我國新能源汽車廢鋰電池的現(xiàn)狀，并介紹了溶解分離回收技術和梯度利用兩種廢舊鋰電池的處理方法。

新能源汽車；廢鋰電池；梯度利用

1　廢舊鋰離子電池使用現(xiàn)狀

鋰離子電池具有工作電壓高、比能量大、體積小、質(zhì)量輕、循環(huán)壽命長、無記憶效應等優(yōu)點，是當前新能源汽車動力主要來源[1]。隨著我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，隨之而來的動力電池回收再利用問題將越來越突出。一般來說，動力電池的容量低于初始容量的80%就認為動力電池不再具備服務功能，動力電池的循環(huán)壽命為1000～1500次左右，折合使用壽命為5年左右。隨著電動汽車大范圍推廣，動力電池的報廢數(shù)量也將越來越多，到2020年，我國電動汽車動力電池累計報廢量將達到12×104t～17×104t的規(guī)模，如果回收處理不當，所造成的環(huán)境危害，恐怕是數(shù)倍于干電池和鉛酸電池。

2　鋰電池的特點

鋰是最輕的金屬元素，鋰的電負性是所有金屬中最負的，鋰原子的還原電位高達-3V。根據(jù)計算，1g鋰轉(zhuǎn)化為鋰離子時所能得到的電荷數(shù)為3860mAh。鋰離子電池的單體電壓為鎳氫電池的3倍，并且具有比能量密度相對較大、無記憶效應、充放電效率高、自放電率低、循環(huán)壽命長和無污染性等優(yōu)點，因此，鋰離子電池成為了目前在純電動汽車上應用最廣泛的動力電池。

電動汽車動力系統(tǒng)所采用的鋰離子電池，其動力電池類型主要有磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鈷酸鋰、鎳鈷錳三元等，這些電池在退役后，對環(huán)境造成潛在的污染源。鋰離子電池中不含汞、鎘、鉛等毒害大的重金屬元素，但鋰離子電池的正負極材料、電解質(zhì)溶液等物質(zhì)對環(huán)境和人體健康還是有很大影響。因此，如將廢舊鋰離子電池采取普通的垃圾處理方法(包括填埋、焚燒、堆肥等)，其中的鈷、鎳、鋰、錳等金屬以及無機、有機化合物必將對大氣、水、土壤造成嚴重的污染，具有極大的危害性。廢舊鋰離子電池中的物質(zhì)如果進入環(huán)境中可造成重金屬鎳、鈷污染(包括砷)，氟污染，有機物污染，粉塵和酸堿污染。廢舊鋰離子電池的電解質(zhì)及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物，如LiPF6、LiAsF6、LiCF3SO3、HF、P2O5等，溶劑及其分解和水解產(chǎn)物，如DME、甲醇、甲酸等，都是有毒有害物質(zhì)，可造成人身傷害，甚至死亡[2]。

以我國電動汽車的發(fā)展速度，如果到2020年時，電動車市場存量超過500萬輛，以一輛車平均配備20kW·h的電池來估算，約有1×108kW·h(1000 GW·h)的鋰離子電池進入汽車市場。如果回收處理不當，所造成的環(huán)境危害，恐怕是數(shù)倍于干電池和鉛酸電池。

3　控制方法

3.1溶解分離回收技術

廢舊鋰離子電池溶解分離工藝要經(jīng)歷3個步驟[3]：(1)將廢舊電池放電、剝離外殼、簡單破碎、篩選后得到電極材料。（2）將第一步獲得的材料進行溶解浸出使電極中的各種金屬進入溶液中。其中鈷和鎳分別以Co2+、Ni2+形式存在，將所有金屬溶于酸中，然后進行分離凈化回收；或者用堿浸出鋁并回收，然后用酸浸出剩余金屬氧化物。（3）對溶解后溶液（浸出液）中金屬元素進行分離回收或?qū)⒃撊芤褐苯雍铣烧龢O材料、離子交換法、萃取法、電化學法分別得到含鈷或鋰的化合物。

整個分離回收技術的關鍵是獲得電極材料的酸溶解物。電極材料中的鋰、鈷、鎳金屬化合物溶于還原性酸HNO3[4]、HCl[5]，但隨著Cl2的產(chǎn)生可能會使工作條件惡化。為此普遍采用H2SO4溶液中加入還原劑H2O2[6]或Na2S2O3[7]作為浸出溶液，以避免有毒有害物質(zhì)生成。

該方法回收率高，方法工藝簡單，但耗能高，二次污染嚴重，后續(xù)分離金屬元素工藝復雜[8]。

3.2梯度利用

梯度利用，與“梯度利用、階梯利用、降級使用”在概念上是基本一致的，但不能視為翻新使用。首先，由于多個電池串聯(lián)成電池組，難以做到完全均一充放電，因此導致串聯(lián)的多個電池組內(nèi)的單個電池會出現(xiàn)充放電不平衡的狀況，電池會出現(xiàn)充電不足和過放電現(xiàn)象，而這種狀況會最終導致整組電池無法正常工作。這就意味著，這個電池組中，仍有一些電芯的性能是正常的。雖然已經(jīng)不滿足汽車的使用條件，但仍然擁有一定的余能，其壽命并未完全終止，可以用在其他領域作為電能的載體使用，從而充分發(fā)揮其剩余價值。

其次，很多機構對回收的電池，做了大量的數(shù)據(jù)測試發(fā)現(xiàn)，很多退役動力電池，不論從容量、性能和循環(huán)壽命上看，仍有著尚可的表現(xiàn)。通過梯度利用，不僅可以讓動力蓄電池性能得到充分發(fā)揮，有利于節(jié)能減排，還可以緩解大量動力蓄電池進入回收階段給回收工作帶來的壓力[9]。

所以相對而言，梯次利用更能夠發(fā)揮產(chǎn)品的最大價值，實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟的利益最大化，是更為綠色和環(huán)保的做法。但梯次利用所面臨的難題和挑戰(zhàn)也非常的多，如果不能有效解決，就不能實現(xiàn)真正的產(chǎn)業(yè)化。

對于電動汽車動力電池的梯次利用，國外走的相對快一些，美國、德國和日本已經(jīng)有不少示范應用的項目，他們在積極探索技術、成本、商業(yè)模式等方面的問題和難點，為后續(xù)大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化做儲備。我國鮮有企業(yè)在這方面投入資源進行產(chǎn)業(yè)化的探索和積累，還更多的停留在“研究”階段。

4　結語

短期來看，梯次利用的電池，在家庭儲能、分布式發(fā)電、微網(wǎng)、移動電源、后備電源、應急電源等中小型的儲能設備應用領域，會有良好的發(fā)展?jié)摿ΑｉL期來看，如果一些技術難點得以解決，在大型和超大型的商業(yè)儲能和電網(wǎng)級儲能市場，梯次利用也會有廣闊的前景。實際上，儲能產(chǎn)品的經(jīng)濟效益測試和商業(yè)模式探索，是非常復雜的事情，并不是通過以上簡單的分析就能搞清楚的。但有一點比較明確，采用梯次利用的動力電池，其成本遠低于新的鋰電池組，可以大大降低儲能系統(tǒng)的成本，消除儲能產(chǎn)品大規(guī)模應用的最大障礙，帶來更為明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。

在電動汽車作為新型產(chǎn)業(yè)領域，我們必須改變過去粗放式的發(fā)展模式，不能單純的追求規(guī)模化效益，而是應該建立一個更加高效、更加精細的經(jīng)濟模型，將廢舊鋰離子電池回收資源化納入到產(chǎn)業(yè)鏈中，朝著有效降低成本、減少二次污染和提高回收率方向發(fā)展，真正實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標。因此，如何應對電動汽車后市場，合理的回收和利用汽車退役下來的動力電池，不是等電動汽車市場發(fā)展起來之后才去考慮和規(guī)劃的，而是應該在當前，進行技術、市場、產(chǎn)業(yè)、政策、環(huán)保等各方面的研究和實踐，完善電動汽車市場的相關配套措施。

[1]李洪枚,姜亢.廢舊鋰離子電池對環(huán)境污染分析與對策[J].上海環(huán)境科學23(5)：201-203.

[2]謝光炎,凌云,鐘勝.廢舊鋰離子電池回收處理技術研究進展[J].環(huán)境科學與技術,32（4）:97-101.

[3]王建偉,李慧敏.新能源汽車電池應用狀況分析[J].研究與開發(fā),68-71.

[4]CastilloS,Ansart F,Laberty-Robert C,et al.Advances in the recovering of spent lithium battery compounds[J].J Power Source,2002,112(1): 247-254.

[5]Pingwei Z,Toshiro Y,Osamu I,et al.Hydrometallurgical process for recovery of metal values from spent lithium-ion secondary batteries[J]. Hydrometallurgy,1998,47(2-3):259-271.

[6]郭麗萍,黃志良,方偉等.化學沉淀法回收LiCoO2中的Co和Li [J].電池,2005,35(4):266-267.

[7]郭麗萍,杜小弟，方偉等.Na2S2O3還原溶解LiCO3及鈷、鋰分離回收[J].應用化學，2006,23(10):1182-1184.

[8]韓業(yè)斌，曾慶祿.廢舊鋰電池回收處理研究[J].中國資源綜合利用31（7）:31-33.

[9]李香龍,陳強,關宇,王玉坤,劉秋降梯次利用鋰離子動力電池試驗特性分析[J].電源技術研究與設計.37（11）：1940-1942.

佟玲（1985—），女，天津，碩士，中級工程師，主要研究方向環(huán)境影響評價。