廢舊鋰電池資源化回收利用工藝探究

龔允玉

【摘 要】隨著鋰電池應(yīng)用量的增加，越來越多的目光集中于廢舊鋰電池資源回收的處理方案之上。廢舊鋰離子電池材料未經(jīng)處理一旦進入了環(huán)境中，正極材料中包含的金屬離子、負(fù)極材料碳粉塵、電解質(zhì)中的強堿和重金屬離子，均可能對環(huán)境產(chǎn)生一定程度的影響，甚至造成重金屬污染，因而廢舊鋰電池資源回收再利用本身具有極高的環(huán)保效益?；谏鲜龇治?，本文結(jié)合某廢舊鋰電池資源回收利用項目，對回收過程中使用的工藝手段進行分析，旨在提升鋰電池回收再利用的技術(shù)水平，減少鋰電池給環(huán)境的污染，增加回收效益。

【關(guān)鍵詞】廢舊鋰電池;資源化;回收利用;工藝手段

中圖分類號： TM912文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）18-0021-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.18.010

0 引言

鋰電池是一種對環(huán)境友好型電池，因其性能方面的優(yōu)勢，實際使用量呈現(xiàn)出了上升趨勢，相對地，廢舊電池的數(shù)量也在持續(xù)增加。為避免環(huán)境污染問題擴大化，廢舊鋰電池回收處理的推進工作勢在必行?？紤]到我國當(dāng)前鈷資源較為欠缺，本文基于實際項目，通過先進資源回收工藝技術(shù)實現(xiàn)電極金屬材料再利用，希望能為相似工程起到借鑒作用。

1 項目概況

鋰電池含有鈷與鋰等具有回收價值的金屬，通過回收工藝，可形成資源循環(huán)利用系統(tǒng)。基于調(diào)試回收利用鋰電池的流水線、調(diào)試記錄情況，確定了此回收系統(tǒng)的實際可用性。本文站在如何有效獲取電池電極材料中金屬物質(zhì)的角度，確定各類工藝方案的實際可行性，形成安全、可有效發(fā)揮作用的處理方案，從而完成鋰電池回收工作。

2 電池概述

2.1 結(jié)構(gòu)組成

鋰電池主要由電芯與外殼共同構(gòu)成。電芯中有隔離膜與正負(fù)極：正極活性材料中有碳黑導(dǎo)電劑、鈷酸鋰粉末與有機粘合劑，這些材料被直接涂附在鋁片材質(zhì)的集電體部位;負(fù)極活性材料主要成分為碳素粉末，除此之外還有較少的粘合劑，材料涂附于銅片集電體中。鋰電池在進行多次充放電活動之后，會出現(xiàn)容量降低、電極膨脹的現(xiàn)象，最終報廢[1]。

2.2 回收特點分析

鋰電池的實際構(gòu)成成分較為復(fù)雜，如果回收處理不當(dāng)將會帶來嚴(yán)重的二次污染問題，同時也具有一定程度的危險性。鋰電池內(nèi)部部分物質(zhì)在接觸水之后會形成水解反應(yīng)，產(chǎn)生劇毒氣體，高分子膜與電解質(zhì)在溫度條件達(dá)到300℃后甚至有可能出現(xiàn)燃燒的現(xiàn)象，加熱與破碎電池后會出現(xiàn)短路放電情況，嚴(yán)重時還會形成爆炸或者毒氣事件[2]。

3 廢舊鋰電池回收流程及工藝

3.1 流程設(shè)計

回收處理流程圖請參見圖1。利用本回收處理系統(tǒng)可以在一定程度上為分離環(huán)節(jié)中的能量消耗量的縮減提供幫助。通過下文回收系統(tǒng)，所得到的鈷酸鋰粉末的實際純度接近90%，甚至可以被直接應(yīng)用到產(chǎn)品原料中進行生產(chǎn)，初步實現(xiàn)了減量化、無害化與資源化的回收處理要求。

3.2 內(nèi)容物獲取

首先，需要對獲取的廢棄電池進行分類，獲取鋰離子電池。通過啟動破殼機設(shè)備，來對電池外部的外殼實施破碎處理，從而獲取鋰電池內(nèi)部的內(nèi)容物，塑料外殼與金屬材料將被分離，進行下一步處理處理。正極活性物質(zhì)包括錳酸鋰、鎳酸鋰與鈷酸鋰;負(fù)極活性物質(zhì)有軟碳、硬碳與石墨;電解質(zhì)鹽可直接在電解液中溶解。

3.3 物理分選：正極材料

首先，對從鋰電池內(nèi)部獲得的內(nèi)容物開展物理分選，主要收集鋁質(zhì)正極片與活性涂層，銅質(zhì)負(fù)極片與涂層將進行另外處理。隨后，將正極片與涂層輸送到破碎裝置內(nèi)，實施破碎處理，處理之后可以獲得正極粉末與鋁質(zhì)顆粒的混合物。最后，對顆?；旌衔镞M行精細(xì)化過篩操作，從而分離混合在一起的正極粉末與鋁質(zhì)顆粒。

3.4 材料分析與深度提純工藝

完成前期簡單的分離處理之后，可繼續(xù)對獲取的材料進行深度提純處理，此處可以使用浸出液合成電極材料方法、沉淀法或者有機萃取法。

通過浸出液來對電極材料進行合成，使浸出液參與到化學(xué)活動中，將檸檬酸或者NaCO3物質(zhì)添加到正極材料的浸出液之中，一定時間后會，溶液內(nèi)會出現(xiàn)沉淀現(xiàn)象。隨后，運用烘干或者過濾等常規(guī)方法，可以取得浸出液中的沉淀粉體，再使用高溫處理的方法，就可以獲取含有Li元素的電極材料。以鎳鈷錳酸鋰三元物質(zhì)的制備為例：其浸出液添加物質(zhì)為CoSO4、NiSO4、MnSO4，將摩爾比控制到1：1：1，隨后使用高溫焙燒處理方法，則可以得到該物質(zhì)沉淀粉體。這種方法操作過程簡單，可以使回收率維持在較高的水平線上，使產(chǎn)品維持較高的性能，但是這種方法的消耗能量較大，還存在二次污染的風(fēng)險，相對而言，可行性較低。

使用沉淀法時需要運用沉淀劑來影響浸出液，使液體中的金屬離子形成沉淀從中析出，從而對沉淀物進行回收處理。這種方法的應(yīng)用頻率較高，相關(guān)的研究成果也比較多。在對正極材料中的Li2CO3進行回收時，主要使用濃縮處理手段，將濃縮后的原料存放到水浴鍋中，調(diào)節(jié)溫度至85℃，進行加熱之后攪拌原料，而后加入堿液與草酸物質(zhì)，達(dá)到除雜的技術(shù)目的，溶液的pH值需保持在10，反應(yīng)時間達(dá)30min之后，進行過濾處理，將具有吸附性的絡(luò)合劑與碳粉添加到濾液中，攪拌時間設(shè)定為20min，進行過濾，將具有一定濃度的Na2CO3與濾液混合，提升溫度至95℃，反應(yīng)時間為40min，隨后進行過濾操作。在最后的環(huán)節(jié)中，應(yīng)使用去離子水來完成濾餅洗滌工作，烘干后即可獲得Li2CO3。在使用這種方法展開回收工作時，單次回收鋰的回收率可超過80%，綜合回收率接近100%。通過運用沉淀劑可使金屬離子以沉淀物的方式有效析出，但運用這種方法時的問題也比較明顯，試劑使用量也需要按比例增加，而作為沉淀物的金屬多為復(fù)合物，后續(xù)利用與分離工作的開展難度均比較高[3]。

有機萃取法需要使用者選用由多種有機溶劑構(gòu)成的混合物或者單獨的溶劑，在與金屬離子進行反應(yīng)之后，可生成配合物，配合物內(nèi)部的金屬離子可直接轉(zhuǎn)移到其他的有機溶劑中，達(dá)到提純分離的處理目的。這種方法的應(yīng)用過程相對簡單，可確保金屬資源的高回收率，最終的產(chǎn)物也具有較高的純度，但是需要對有機溶劑的成本進行關(guān)注，除了價格偏高之外，對于人體與環(huán)境都存有危害，回收有機溶劑的難度較高，形成工業(yè)化系統(tǒng)的需求難以被滿足，需要從提升效率與降低應(yīng)用成本兩方面來改進這一方法。

4 新舊工藝對比分析

隨著對回收處理與應(yīng)用鋰電池工藝手段的不斷研究，在原有手段的基礎(chǔ)上，新的回收工藝也逐步形成，研究重點轉(zhuǎn)移到修復(fù)鋰電池的正極，使存在容量衰退問題的鋰電池也可被有效使用，同時可以降低電池的制備成本。再制造技術(shù)屬于新型回收工藝，通過先進的脈沖激光技術(shù)可對電極片進行清洗，去除鈍化膜，細(xì)化電池內(nèi)部有回收價值的粒子，改善電極的實際質(zhì)量，在運用這種新的工藝方法時需要控制所用的能量，否則會降低再造電池的能力。相比原有的回收工藝技術(shù)，新的工藝手段幫助縮減了電池的成本，使電池維持更長的應(yīng)用周期，幫助節(jié)省了資源，消除環(huán)境污染。但是，新工藝還不夠成熟，缺陷尚且存在，較投產(chǎn)應(yīng)用的目標(biāo)還存在著一段不短的距離，持續(xù)優(yōu)化改進工作尚需推進。

5 結(jié)論

本項目針對廢舊鋰電池的處理需求展開研究，通過科學(xué)的系統(tǒng)來對正極材料進行可靠分離，而后又展開了深入提取工作，化解了電池處理環(huán)節(jié)中的安全風(fēng)險，不僅提升了回收利用鋰電池的安全性與效率，還創(chuàng)造了更高的生產(chǎn)效益與環(huán)保效益。在日后還需對回收處理系統(tǒng)進行進一步的優(yōu)化，將多種可用的工藝手段結(jié)合使用，從而消除成本偏高、廢氣污染等方面的問題，盡早實現(xiàn)鋰電池處理回收系統(tǒng)一體化與工業(yè)化的發(fā)展目標(biāo)。

【參考文獻】

[1]楊光，張鵬，鐘岸，et al.廢舊鋰離子動力電池的回收研究進展[J].廣東化工，2018.

[2]楊宇，梁精龍，李慧，et al.廢舊鋰離子電池回收處理技術(shù)研究進展[J].礦產(chǎn)綜合利用，2018，214（06）：12-17.

[3]李建波，徐政，紀(jì)仲光，et al.廢舊鋰離子動力電池回收的研究現(xiàn)狀[J].稀有金屬，2019（2）：201-212.