鋰離子電池生產(chǎn)中的主要環(huán)境影響及污染防治

李曉玲

（深圳市立拓環(huán)?？萍加邢薰?廣東深圳 518000）

引言

長期以來，人們一直以燃油車作為主要的交通工具，極大地方便了人們的生活。但目前的研究表明，傳統(tǒng)燃油汽車排放的尾氣中含有一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化物、二氧化硫、顆粒物等污染物，容易造成大氣污染和“溫室效應”[1]。同時，隨著石油資源的日趨枯竭和人們的環(huán)保意識的逐漸提高，尋求清潔、高效和可持續(xù)的交通出行方式是當前的研究熱點之一[2]。

新能源汽車已成為未來汽車工業(yè)的主要發(fā)展方向之一，是應對氣候變化、實現(xiàn)“碳中和”的重要戰(zhàn)略舉措。鋰離子電池具有可充電、體積小、質(zhì)量輕、能量高、循環(huán)壽命長、充電快、綠色環(huán)保等優(yōu)點，是新能源汽車理想的能量載體[3]。目前，國內(nèi)鋰離子電池工業(yè)發(fā)展迅速，但在制造過程會產(chǎn)生一定的負面環(huán)境效應，需采取有效的防治技術減輕其環(huán)境影響，促使鋰電池產(chǎn)業(yè)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。本文從鋰電池制造工藝及使用的原輔材料角度出發(fā)，分析其生產(chǎn)過程中的主要污染物及其環(huán)境影響，提出污染防治的技術要點、環(huán)境管理及監(jiān)管要求，為環(huán)境管理人員提供一定的技術參考。

1 鋰離子電池的結(jié)構(gòu)、主要原輔材料及潛在的環(huán)境危險性

鋰離子電池主要由正極、負極、有機電解液、隔膜、電池外殼五大部分組成，主要依靠鋰離子在正極和負極之間的移動來實現(xiàn)充放電。充電時，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負極，負極處于富鋰狀態(tài)；放電時，負極的鋰會失去電子成為鋰離子，通過隔膜經(jīng)過電解液向正極方向遷移并進入正極材料中儲存。

鋰離子電池生產(chǎn)過程中的主要原輔材料包括正負極電極材料、正負極極流體、溶劑和電解液等。原輔材料的毒性及潛在的環(huán)境危害概況如下：

（1）正負極電極材料：目前正極材料主要使用鈷酸鋰（LiCoO2）、鎳酸鋰（LiNiO2）、錳酸鋰（LiMnO2）、磷酸鐵鋰以及三元材料鎳鈷錳酸鋰等。鈷、鎳錳等為重金屬，具有一定的毒性效應，可危害人體健康。負極材料一般是石墨，粉塵經(jīng)呼吸道吸入會引起呼吸道疾病[4]。（2）正負極集流體：正極一般使用鋁箔，負極一般使用銅箔，為金屬材料，廢邊角料具有資源回收價值，但若管理不善進入自然環(huán)境，對環(huán)境也有一定影響。（3）溶劑：正負極材料制漿過程，需加入溶劑溶解正負極材料。正極主要使用N-甲基吡咯烷酮（NMP），屬于揮發(fā)性有機物，微毒；負極使用純水，無毒。（4）電解液：電解液在電池中起到傳輸離子的作用，由有機溶劑和鋰鹽電解質(zhì)組成。有機溶劑一般為有機碳酸酯類物質(zhì)，包括碳酸二甲酯、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸甲乙酯等，為易燃揮發(fā)性有機物。鋰鹽主要為六氟磷酸鋰，遇水則分解生成氟化氫（HF），有腐蝕和毒害作用，對眼睛、皮膚、肺部等有侵蝕作用。（5）其他：外殼、隔膜、粘結(jié)劑等。原材料為金屬、塑料、高聚性材料等，在生產(chǎn)過程中必須注意一般工業(yè)固體廢物的規(guī)范化處理處置。

因此，在鋰離子電池制造過程應重點關注正負極材料、NMP 及電解液產(chǎn)生的環(huán)境污染問題，并做好揮發(fā)性有機物的回收及處理。其中，含銅、鋁等廢棄物的處理應嚴格執(zhí)行相關環(huán)保要求。

2 主要污染物排放及環(huán)境影響

鋰離子電池的生產(chǎn)工藝大體一致，主要包括電極極片制作、電芯裝配、模組組裝等工序，且生產(chǎn)過程中將會產(chǎn)生一定的廢氣、廢水、噪聲及固體廢物。生產(chǎn)過程中的大氣污染物主要為顆粒物，系正負極制漿配料產(chǎn)生含有炭黑、鈷、鎳、錳等重金屬元素的粉塵。研究表明，顆粒物對可見光有很強的散射作用，從而降低大氣能見度，引發(fā)城市霧霾天氣。人體長期吸入高濃度的有毒重金屬顆粒物，也會引發(fā)呼吸道疾病。涂布烘干、注液、預封、Degas 排氣及二封等過程將產(chǎn)生揮發(fā)性有機物（VOCs）（含NMP 的有機廢氣以及可能含氟化氫的電解液揮發(fā)有機廢氣）。VOCs 是形成細顆粒物（PM2.5）、臭氧（O3）等大氣二次污染物的重要前體物，可引發(fā)光化學煙霧等大氣環(huán)境問題。同時，排氣、二封工序?qū)a(chǎn)生少量氟化氫（HF）。氟化氫易溶于水形成氫氟酸，對水體造成污染，同時，氟化氫具有刺激性、腐蝕性的有毒氣體，污染大氣環(huán)境并會刺激呼吸道粘膜和皮膚，危害人類健康。此外，廢水處理過程會產(chǎn)生惡臭廢氣，刺激人體嗅覺器官。生產(chǎn)過程中的廢水主要來源于正負極制漿及涂布設備清洗等產(chǎn)生的清洗廢水，具有低pH、高化學需氧量（CODCr）、高懸浮物（SS）和高氨氮（NH3-N）、鎳（Ni）、鈷（Co）、錳（Mn）等特征。含鎳（Ni）、鈷（Co）等重金屬污染物的廢水的直接排放將對廠區(qū)周圍水環(huán)境產(chǎn)生較大影響，且底泥及水生動植物體內(nèi)的鎳會不斷積累最終進入食物鏈，影響人類健康，嚴重時會造成鎳中毒，具有致癌和對生殖系統(tǒng)的潛在危害[5]。生產(chǎn)設備、公輔設備如冷卻塔、水泵、風機等的運行會產(chǎn)生噪聲污染，影響敏感點的聲環(huán)境質(zhì)量。研究表明，噪聲污染對人體的危害是多方面的，能對聽覺系統(tǒng)和非聽覺系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響，干擾休息和睡眠，降低工作效率。同時，噪聲污染會影響心血管及中樞神經(jīng)系統(tǒng)的健康，引發(fā)頭暈、頭痛、心慌、記憶力減退等癥狀，嚴重者可產(chǎn)生精神錯亂[6]。生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的固體廢物主要包括一般固體廢物和危險廢物。一般固體廢物主要有廢鋁箔、銅箔、廢隔膜等，而危險廢物主要有在注液和電解液貯存過程中產(chǎn)生的廢電解液及電解液包裝桶等。一般固體廢物若不進行資源化回收利用，將會造成資源浪費，同時污染周圍環(huán)境，危險廢物若不妥善收集和處理將會造成嚴重的環(huán)境污染。

3 污染防治技術要點

3.1 廢氣污染防治技術要點

除塵是治理粉塵污染的有效措施，主要依托除塵器等設備實現(xiàn)。除塵器除塵效率較高，主要有機械式除塵器（如重力沉降室、慣性除塵器、旋風除塵器）、濕式除塵器（噴淋塔、填料塔等）、袋式除塵器（如脈沖布袋除塵器等）和靜電除塵器等。鋰離子電池生產(chǎn)過程中需將固體粉狀物料加入制漿系統(tǒng)進行攪拌制漿，會產(chǎn)生含有正極或負極電極材料的配料粉塵，主要為含炭黑、鈷、鎳、錳等重金屬元素的顆粒物。一般設置密閉微負壓制漿車間，粉塵經(jīng)收集后進入濕式除塵器（噴淋塔、填料塔等）或者高效過濾網(wǎng)除塵后高空排放，可有效降低粉塵中顆粒物的排放濃度和速率，降低對周邊的環(huán)境影響程度及范圍。

生產(chǎn)過程產(chǎn)生的有機廢氣，研究表明，國內(nèi)揮發(fā)性有機廢氣污染防治末端治理技術主要有回收利用技術和銷毀技術。常用的回收利用技術有冷凝法、吸收法、吸附法、膜分離法；常用的銷毀技術熱力燃燒法、催化燃燒法、生物降解法、UV 光催化降解法、低溫等離子體技術法。冷凝法是使廢氣降溫至VOCs 成分的露點之下，使其冷凝為液態(tài)后加以回收的方法，多適用于高濃度、成分單一且有回收利用價值的VOCs 處理。吸附（收）技術是利用吸附（收）劑與污染物質(zhì)VOCs 進行物理結(jié)合或化學反應將污染物去除，如活性炭吸附、雙氧水化學洗滌等，適用于中低濃度VOCs 廢氣凈化。NMP作為鋰離子電池生產(chǎn)制漿過程一種重要溶劑，具有回收利用價值，宜采用回收法如冷凝法技術處理其產(chǎn)生的含NMP 有機廢氣。含氟化氫的電解液揮發(fā)有機廢氣等，可采用堿液噴淋+活性炭吸附、雙氧水化學洗滌等措施控制此類污染物的排放。實際生產(chǎn)中可根據(jù)有機廢氣特點，采用回收利用技術與銷毀技術結(jié)合的處理技術、多級處理技術等。如UV 光催化降解法+活性炭吸附法、冷凝法+活性炭吸附法等，使生產(chǎn)過程中的有機廢氣、氟化氫廢氣等得到有效處理并達標排放。

污水處理站處理污水過程還會產(chǎn)生少量惡臭廢氣，主要污染因子為硫化氫、氨、臭氣濃度。惡臭廢氣處理技術主要有三類：一是物理方法，主要有水洗法、物理吸附法、稀釋和掩蔽法；二是化學方法，主要有藥液吸收（氧化吸收、酸堿液吸收）法、化學吸附（離子交換樹脂、堿性氣體吸附劑和酸性氣體吸附劑）法等；三是生物學方法，主要有生物滴慮、生物過濾和生物吸收法。一般情況下污水處理站惡臭廢氣產(chǎn)生量較小，經(jīng)采取密閉負壓收集，聯(lián)合除臭如化學藥液吸收+生物滴慮+活性炭吸附工藝處理后，惡臭廢氣可達標排放，對周圍環(huán)境影響不大。

3.2 廢水污染防治技術要點分析

鋰離子電池生產(chǎn)過程會產(chǎn)生設備清洗廢水。正極設備清洗與采用的清洗介質(zhì)有關。若采用純水清洗，則廢水中主要污染物為pH、COD、SS、NH3-N、Ni（鎳）、Co（鈷）、Mn（錳）等，為含Ni、Co、Mn 等重金屬的廢水，負極設備清洗廢水主要污染物為pH、COD、SS、NH3-N等。磷酸鐵鋰動力鋰離子電池生產(chǎn)過程設備清洗廢水不含重金屬。研究表明，常見廢水處理技術有物理法、化學法、物理化學法、生物法等。相關企業(yè)在生產(chǎn)中，需根據(jù)廢水特性，當?shù)丨h(huán)保要求等選擇適當處理技術，使廢水處理達到 《電池工業(yè)污染物排放標準》（GB30484-2013）相關標準限值后達標排放。若正極采用NMP 清洗，則產(chǎn)生含NMP 的有機清洗廢水，可作為危險廢物按照 《危險廢物貯存污染控制標準》（GB18597-2001）及其修改單的有關規(guī)定收集、貯存后，委托有相應處理資質(zhì)的單位拉運處理。

3.3 噪聲污染防治措施分析

生產(chǎn)設備如攪拌機、涂布機、輥壓機及公輔設備如冷卻塔、水泵、風機等運行會產(chǎn)生噪聲，噪聲超標排放可能會影響周圍聲環(huán)境質(zhì)量，危害人體健康。

企業(yè)生產(chǎn)車間宜合理布局，靜鬧分開，高噪聲設備遠離辦公生活區(qū)、敏感目標而布設。高噪聲設備如水泵、備用柴油發(fā)電機等盡量安裝專用隔聲房內(nèi)，并安裝減振墊、消聲器等。冷卻塔腳座與地面之間安裝減振器，受水盤水面鋪設多孔泡沫塑料墊等。

3.4 固體廢物污染防治措施分析

固體廢物污染防治需要嚴格落實《中華人民共和國固體廢物污染環(huán)境防治法》（2020 年9 月1 日起施行）的各項要求。需設置符合要求的一般固體廢物暫存間，經(jīng)分類收集暫存后，外售有資質(zhì)的資源利用單位回收利用。企業(yè)應制定危險廢物管理計劃，建立危險廢物管理臺賬，如實記錄有關信息，并通過國家危險廢物信息管理系統(tǒng)向所在地生態(tài)環(huán)境主管部門申報危險廢物的種類、產(chǎn)生量、流向、貯存、處置等資料。同時配套建設符合《危險廢物貯存污染控制標準》（GB18597-2001）及“2013 年6 月修訂單”相關要求的危險廢物暫存間，危險廢物分類收集并暫存后，委托有危險廢物處理資質(zhì)的單位拉運處理，并按照有關規(guī)定填寫、運行危險廢物電子或者紙質(zhì)轉(zhuǎn)移聯(lián)單。

4 環(huán)境管理及監(jiān)管要求

企業(yè)應建立、健全環(huán)境管理制度，履行各項環(huán)保手續(xù)，采用先進適用的污染防治技術，使鋰離子電池制造過程中的各類環(huán)境影響得到有效控制。

環(huán)境管理人員可核查企業(yè)各項環(huán)境管理制度的落實情況，環(huán)境管理機構(gòu)、人員、應急物資的配置情況；是否進行了環(huán)境影響評價；是否建設了對應的污染防治措施且進行了竣工環(huán)境保護驗收；是否制定了突發(fā)環(huán)境事件應急預案并演練；是否取得排污許可證并定期提交排污許可執(zhí)行報告；是否按照要求進行了自行監(jiān)測，污染物排放是否超標、超總量；對于企業(yè)主要廢氣和廢水排放口，可安裝在線監(jiān)測裝置并與主管部門聯(lián)網(wǎng)。必要時可進行監(jiān)督性檢測，對周圍敏感目標進行民意調(diào)查，以便監(jiān)督和督促企業(yè)有效落實各項污染防治措施，進一步降低鋰離子電池制造過程中的環(huán)境影響。

結(jié)語

在鋰離子電池制造過程中，使用電極材料、電解液與溶劑NMP 等，可能會給鋰離子電池制造企業(yè)周邊的大氣環(huán)境和水環(huán)境等造成鎳、鈷、錳重金屬污染、氟污染，加重大氣環(huán)境的揮發(fā)性有機物污染，同時還會產(chǎn)生噪聲及少量固體廢物，若不能得到有效處理，將損害人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境，最終危害人體健康。但相較于傳統(tǒng)鎳氫、鎳鎘電池以及鉛酸電池，其生產(chǎn)過程中不需添加鎘、鉛等物質(zhì)，鋰離子電池相對更加環(huán)保。為實現(xiàn)“碳中和”宏大目標，發(fā)展和推廣鋰離子電池在新能源汽車中的應用是不可或缺的版塊，因此，須采取有效的污染防治技術控制、減輕鋰離子電池制造過程中的各類環(huán)境影響，促使鋰電池產(chǎn)業(yè)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。