電動(dòng)汽車廢舊電池回收工藝研究

魏錦雯　杜英　謝麗娟　唐會(huì)敏　李晨雨　張雷

摘要：本文著重研究廢舊鋰離子動(dòng)力電池拆解后回收工藝相關(guān)問題。在分析鋰離子電池結(jié)構(gòu)與成分的基礎(chǔ)上，對(duì)其回收步驟：預(yù)處理、二次處理、深度處理等進(jìn)行具體的實(shí)驗(yàn)分析，經(jīng)研究分析總結(jié)出污染更小、回收效率更高的廢舊鋰離子動(dòng)力電池回收工藝。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力電池;預(yù)處理;二次處理;深度處理

1 ?研究背景

目前石油能源日漸減少，這使得世界各大汽車公司都在著力研究新能源汽車，其中電動(dòng)汽車成為新能源中的主力?，F(xiàn)下中國(guó)主推鋰離子電池動(dòng)力汽車，這使得電動(dòng)汽車得到了大力發(fā)展，電動(dòng)汽車成爆發(fā)式增長(zhǎng)，新的產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展是件好事，但同時(shí)也是令人擔(dān)憂的。電池的報(bào)廢年限在3到5年，大量廢舊電池報(bào)廢后如果沒有得到良好的處理將會(huì)對(duì)環(huán)境帶來巨大的危害。為此，我們對(duì)廢舊鋰離子動(dòng)力電池回收工藝進(jìn)行深入研究，擬解決電動(dòng)汽車廢舊電池回收問題。

2 ?電池結(jié)構(gòu)

本項(xiàng)目主要以比亞迪電動(dòng)汽車廢舊三元鋰離子電池為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。三元鋰離子電池由電芯、保護(hù)電路和外殼組成。電芯主要由正極板、隔膜、負(fù)極板、電解液組成;正極板、隔膜、負(fù)極板纏繞或?qū)盈B，包裝，灌注電解液，封裝后引出正極耳和負(fù)極耳制成電芯。其中正極一般以鋁箔作為基底，兩側(cè)均勻涂覆正極材料，正極材料包括一定配比的正極活性物質(zhì)（如鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、錳酸鋰和三元材料等）、導(dǎo)電添加劑（如乙炔黑、石墨等）以及粘結(jié)劑（聚偏氟乙烯（PVDF）為主）。負(fù)極一般以銅箔作為基底，兩側(cè)均勻涂覆負(fù)極電極材料，負(fù)極材料包括一定配比的負(fù)極活性物質(zhì)（石墨、硅碳等）和粘結(jié)劑（丁苯橡膠（SBR）、丙烯酸樹酯（PAA）、羧甲基纖維素鈉（CMC-Na）等）。

3 ?廢舊鋰離子電池回收步驟

對(duì)文獻(xiàn)進(jìn)行整理并結(jié)合大量實(shí)驗(yàn)得出廢舊電池回收流程大致分為三步：預(yù)處理、二次處理、深度處理。在預(yù)處理時(shí)大多數(shù)實(shí)驗(yàn)都選擇粉碎，之后再將各個(gè)元素逐漸分離提純。我們?cè)O(shè)想對(duì)鋰離子電池進(jìn)行拆解，從而得到整片的鋁箔、隔膜、銅片，還有三元鋰粉溶液。對(duì)此，我們只需對(duì)三元鋰粉進(jìn)行化學(xué)分離，可以使分離更容易，從而達(dá)到純度更高。

3.1 預(yù)處理

鋰離子電池預(yù)處理需要進(jìn)行三步操作：拆解、放電、化學(xué)處理、負(fù)極處理。

①初步處理：用尖銳物劃破塑料外層，拆除廢舊鋰離子動(dòng)力電池外層的塑料膜，將鋰離子電池的金屬外殼展露出來。

②深度放電。由于鋰離子電池密度大，在電池報(bào)廢后仍存有一定能量，為此需要對(duì)報(bào)廢鋰離子動(dòng)力電池進(jìn)行深度放電處理。經(jīng)實(shí)驗(yàn)對(duì)比我們發(fā)現(xiàn)直接或快速的短路放電，優(yōu)點(diǎn)是放電速度快，但缺點(diǎn)也相當(dāng)明顯，短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量熱量，極易產(chǎn)生爆炸，不可大批量工業(yè)作業(yè)。為此我們將電池放置在濃度為20%的NaCl溶液中，浸泡24h，相比之下時(shí)間長(zhǎng)了很多，安全得到了保證，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)化大批量處理。

③除去HF。用老虎鉗夾住晾干后的廢舊電池，并用角磨機(jī)將電池頭部切削掉，然后迅速投入pH值為9-10的NaOH溶液中浸泡3分鐘。

④將電芯從外殼中取出，將正極與負(fù)極兩片進(jìn)行物理分離。處理負(fù)極，負(fù)極的處理很簡(jiǎn)單，將負(fù)極材料浸泡在純凈水中10分鐘后，輕輕抖動(dòng)即可分離負(fù)極集流體銅箔和石墨。

3.2 二次處理

主要是將鋁箔與粘結(jié)劑分離，正極具有多種有價(jià)金屬，極具回收價(jià)值，兩者的分離有一定的難度，為此我們研究出用兩步驟，先將鋁箔與正極和粘合劑分離，再將粘結(jié)劑與正極分離。

首先是將正極材料浸泡在濃度為10%的NaOH溶液中3-5分鐘溶解極少部分正極集流體即可得到干凈完整的鋁箔;

然后用有機(jī)溶劑（二甲基亞砜或N-甲基吡咯烷酮）在60攝氏度條件下浸泡90分鐘溶解正極粘結(jié)劑。利用的是有機(jī)溶劑相似相溶原理將金屬離子與粘結(jié)劑相分離，過濾最終得到三元鋰粉溶液。

3.3 深度處理

深度處理分為浸出和分離提純兩部分，對(duì)三元鋰粉進(jìn)行進(jìn)一步分離。

①浸出過程采用酸浸法浸出正極活性物質(zhì)中的鎳、鈷、錳、鋰等金屬，其中葡萄糖酸對(duì)三元材料有很好的浸出效果，工業(yè)應(yīng)用前景很好。

我分離提純是將化學(xué)沉淀法與萃取法聯(lián)合浸出液中的有價(jià)金屬離子，充分發(fā)揮兩種方法的優(yōu)勢(shì)，可以有效提高有價(jià)金屬離子的回收率?；瘜W(xué)沉淀法是向浸出液中添加特定的沉淀劑將浸出液中的金屬離子沉淀出來，得到相應(yīng)的金屬化合物產(chǎn)品?；瘜W(xué)沉淀法的核心是控制好溶液的 pH值，在不同的pH值下，沉淀出相應(yīng)的金屬離子，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，回收率較高，成本較低。溶劑萃取法是目前常用的回收浸出液中有價(jià)金屬離子的方法，即利用特定的有機(jī)溶劑與溶液中的有價(jià)金屬離子（Ni2+、Co2+、Mn2+等）形成配合物，從而對(duì)金屬離子進(jìn)行分離回收。

電動(dòng)汽車廢舊電池回收工藝流程圖如圖1所示。

4 ?回收過程中解決污染的措施

鋰離子電池的電解液會(huì)與水發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生有毒的HF，從而對(duì)工作人員造成傷害，污染大氣。除去HF要用老虎鉗夾住晾干后的廢舊電池，并用角磨機(jī)將電池頭部切削掉，然后迅速投入pH值為9-10的NaOH溶液中浸泡5分鐘。

負(fù)極材料中含有石墨，粉塵遇明火或高溫可發(fā)生爆炸，經(jīng)處理的石墨是潮濕的，非干燥的，從而避免危險(xiǎn)的發(fā)生。

隔膜燃燒會(huì)產(chǎn)生CO、醛等物質(zhì)，本實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行直接成片式物理分離，避免了燃燒污染。

5 ?結(jié)論

廢舊鋰離子電池不僅有極大的污染能力，處理不當(dāng)還會(huì)出現(xiàn)爆炸的可能，廢舊鋰離子電池會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染對(duì)人和動(dòng)物也可能造成直接的危險(xiǎn)。其產(chǎn)生的污染物含有大量重金屬難以降解，造成的破壞難以恢復(fù)，且會(huì)產(chǎn)生有毒氣體污染大氣等破壞性。這足以引起我們對(duì)處理廢舊鋰離子電池的重視。由于鋰離子電池的大力發(fā)展，其中的金屬資源變得緊缺起來，使得鈷、鎳等金屬價(jià)格上漲，電池生產(chǎn)成本提高，對(duì)電池進(jìn)行合理的回收再利用將在未來有巨大的商業(yè)價(jià)值與現(xiàn)實(shí)意義。電池中蘊(yùn)含著大量的緊缺有價(jià)金屬元素的鈷、鎳、錳、鋰、銅、鋁等，處理不良會(huì)導(dǎo)致水土重金屬污染，緊缺金屬資源浪費(fèi)。對(duì)電池的合理回收研究勢(shì)在必行，不斷優(yōu)化回收方法和工藝、減少對(duì)環(huán)境的污染、減少金屬資源的浪費(fèi)，方可應(yīng)對(duì)廢舊電池帶來的危險(xiǎn)。

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作者簡(jiǎn)介：魏錦雯（1997-），女，吉林長(zhǎng)春人，北華大學(xué)學(xué)生，學(xué)士學(xué)位，研究方向?yàn)樾履茉雌?杜英（通訊作者）（1973-），女，吉林榆樹人，講師，碩士研究生，研究方向?yàn)樾履茉雌?、汽車環(huán)境工程;謝麗娟（1998-），女，吉林東豐人，北華大學(xué)學(xué)生，學(xué)士學(xué)位，研究方向?yàn)樾履茉雌?唐會(huì)敏（1997-），女，江蘇泗陽(yáng)人，北華大學(xué)學(xué)生，學(xué)士學(xué)位，研究方向?yàn)樾履茉雌?李晨雨（1999-），男，河北井陘人，北華大學(xué)學(xué)生，學(xué)士學(xué)位，研究方向新能源汽車;張雷（1997-），男，吉林德惠人，北華大學(xué)學(xué)生，學(xué)士學(xué)位，研究方向?yàn)樾履茉雌嚒?/p>