廢舊動(dòng)力鋰電池自動(dòng)拆解試驗(yàn)的研究

楊思蔚，杜光潮，王立新，劉魯平，李晶晶，郭曉磊

（浙江新時(shí)代中能循環(huán)科技有限公司，浙江 紹興 312369）

由于能源環(huán)保存在可持續(xù)發(fā)展優(yōu)勢，我國正在努力發(fā)展新能源汽車新興產(chǎn)業(yè)。為了更好適應(yīng)我國緊跟未來全球電動(dòng)新能源車和電動(dòng)汽車電池產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的新市場情況，我國的新能源電動(dòng)汽車、專用車和動(dòng)力電池出貨量也已開始迅速呈現(xiàn)多年以來持續(xù)高速增長的新狀態(tài)。2020年我國動(dòng)力電池產(chǎn)量累計(jì)83.4GWh，同比累計(jì)下降2.3%。其中三元電池產(chǎn)量累計(jì)48.5GWh，占總產(chǎn)量58.1%，同比累計(jì)下降12.0%；磷酸鐵鋰電池產(chǎn)量累計(jì)34.6GWh，占總產(chǎn)量41.4%，同比累計(jì)上升24.7%。同年，我國動(dòng)力電池累計(jì)銷量達(dá)65.9GWh，同比累計(jì)下降12.9%。其中三元電池累計(jì)銷售34.8GWh，同比累計(jì)下降34.4%；磷酸鐵鋰電池累計(jì)銷售30.8GWh，同比累計(jì)增長49.2%，是唯一實(shí)現(xiàn)同比正增長產(chǎn)品。

2020年，我國動(dòng)力電池裝車量累計(jì)63.6GWh，同比累計(jì)上升2.3%。2021年1-3月，我國動(dòng)力電池裝車量累計(jì)23.2GWh，同比累計(jì)上升308.7%。其中三元電池裝車量累計(jì)13.8GWh,占總裝車量59.5%，同比累計(jì)上升219.6%；磷酸鐵鋰電池裝車量累計(jì)9.4GWh,占總裝車量40.4%，同比累計(jì)上升603.3%。通過動(dòng)力電池產(chǎn)銷量和裝車量的比較，可見磷酸鐵鋰電池發(fā)展?jié)摿薮?，勢頭迅猛，未來有望成為動(dòng)力蓄電池的主力軍。

我省動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)概況：2014-2017年，浙江省新能源汽車產(chǎn)量累計(jì)已達(dá)245595輛，2017年全省新能源電池產(chǎn)量1.548GWH。到2017年底浙江省新能源汽車保有量達(dá)到141058輛。全省共有新能源城市公交車9000余輛，占公交車總數(shù)量比例為25.8%。2017年新能源純電動(dòng)乘用車銷量占全國總銷量20%以上。預(yù)計(jì)到2020年，浙江省的廢舊動(dòng)力蓄電池達(dá)到2.5到3萬噸。

2020年，全省新能源汽車產(chǎn)量達(dá)7.7萬輛，占全省汽車產(chǎn)量的6.1%、全國新能源汽車產(chǎn)量的5.3%。 到2025年，浙江將培育10家生態(tài)主導(dǎo)型企業(yè)。重點(diǎn)支持吉利汽車集團(tuán)發(fā)展新能源汽車，至2025年新能源車型銷售占比超過30%，同時(shí)在傳統(tǒng)車領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)展新一代的高壓混合動(dòng)力系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整車碳排放同比2020年降低30%以上。

由于我國動(dòng)力環(huán)保汽車發(fā)展前景一片大好，電池的生命周期研究也勢在必行，從電池的制造到最終報(bào)廢環(huán)節(jié)，為了實(shí)現(xiàn)材料的循環(huán)利用，讓整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈實(shí)現(xiàn)綠色、可持續(xù)發(fā)展的狀態(tài)。為了更好地處理報(bào)廢的動(dòng)力鋰電池，實(shí)現(xiàn)保護(hù)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)增長的雙重效益，從業(yè)工作者必須了解動(dòng)力鋰電池的成分構(gòu)造、回收流程和具體安全要素。

1 動(dòng)力鋰電池的成分構(gòu)造

動(dòng)力電源鋰電池本身所含的化學(xué)成分比較復(fù)雜，電池中一般含有大量重金屬和鐵元素(包括銅、鎳、錳等)，六氟磷酸鋰(LiPF6)、有機(jī)酸和碳酸酯、難溶的降解劑等有機(jī)溶劑及其他易分解和水解的副產(chǎn)物。LiPF6穩(wěn)定性較差易熱分解、水解時(shí)放出水解產(chǎn)物L(fēng)iPF5、HF等多種劇毒性的氣體。鈷和鉻鎳和黃銅等少量重金屬在自然環(huán)境中通常具有快速累積氧化效應(yīng)，污染泥土土壤和地下河的水源，并通過污染生物鏈，最終嚴(yán)重危害人類健康和生態(tài)環(huán)境。

廢棄日用蓄電池材料中的金屬塑料或其他金屬外殼，以及電解液中的電解質(zhì)硅酸鹽、金屬電解鹽等廢料，均對其具有較高的回收利用價(jià)值。對于各類動(dòng)力電池資源進(jìn)行充分資源化利用回收，不僅可以有效減少使用廢舊電池對于生態(tài)環(huán)境的各種污染物，并帶來顯著經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益，而且還能有效實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池中各種資源重要組分的充分利用回收和再利用，產(chǎn)生巨大社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)還能積極響應(yīng)黨和國家關(guān)于發(fā)展綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)、建設(shè)資源節(jié)約型小康社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展重大戰(zhàn)略。目前國內(nèi)外動(dòng)力電池產(chǎn)品回收主要還是依靠人工拆解進(jìn)行產(chǎn)品拆解，自動(dòng)化人工拆解應(yīng)用程度很低，而且國內(nèi)動(dòng)力電池產(chǎn)品拆解回收過程中可能產(chǎn)生的任何廢氣、廢液、粉塵對生產(chǎn)環(huán)境和工人均可能帶來嚴(yán)重的環(huán)境危害性，因此國內(nèi)動(dòng)力電池產(chǎn)品回收生產(chǎn)企業(yè)目前迫切需要采用自動(dòng)化、全封閉人工拆解回收設(shè)備，才能真正實(shí)現(xiàn)國內(nèi)動(dòng)力電池產(chǎn)品節(jié)能、環(huán)保、安全、可靠、高速、有效地進(jìn)行拆解以及回收。

2 動(dòng)力電池回收流程

在目前電動(dòng)汽車使用工況下，動(dòng)力電池初始放電后的容量已經(jīng)衰減到初始放電容量80%時(shí)，即已經(jīng)無法完全滿足提高車用性能的要求，必須及時(shí)更換新動(dòng)力電池來繼續(xù)維持、提高電動(dòng)汽車使用性能。動(dòng)力電池金屬回收的兩大主要途徑無論用的是目前被廣泛工業(yè)采用的三元錳鎳鋰電池還是磷酸鐵錳鎳鋰電池，其中的富含鈷酸鉻鎳鈷和錳酸鐵鋰等珍貴金屬，不妥當(dāng)利用回收，都將對其造成大量重金屬環(huán)境污染，具有強(qiáng)烈的腐蝕性和具有強(qiáng)毒性的金屬電解質(zhì)。為了對新型動(dòng)力電池原料進(jìn)行有效率的回收，全球通常普遍采用的電池回收技術(shù)方法大致分為兩種：一種是梯級梯次利用，即對從電動(dòng)汽車上用到退役的新型動(dòng)力電池原料進(jìn)行二次梯級利用或多次梯級利用；第二種則是二次再生梯級利用，也就是將動(dòng)力電池進(jìn)行拆解，對電池原料和重要金屬部件進(jìn)行再次回收。為了有效充分利用廢舊動(dòng)力電池現(xiàn)有資源，節(jié)約家用動(dòng)力電池的長期使用維護(hù)成本，目前對廢舊家用動(dòng)力電源鋰電池進(jìn)行回收和再利用主要方法是先對其進(jìn)行余下電能梯次回收利用，最終再對其進(jìn)行徹底清理拆解并待回收后再利用。據(jù)電池行業(yè)專家調(diào)研人員了解，國內(nèi)目前還是沒有實(shí)現(xiàn)電池組件單體化的自動(dòng)化組裝拆解生產(chǎn)設(shè)備。

3 技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素

本發(fā)明目的是解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)，而提出的一種廢舊動(dòng)力電池自動(dòng)拆解裝置。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：

一種廢舊車用動(dòng)力電池自動(dòng)更換拆解板的裝置，包括兩個(gè)拆解板平臺，所有拆解板平臺的頂部全部放置在所有動(dòng)力電池板的殼體，拆解板平臺的頂部固定裝置安裝的只有兩個(gè)固定滑動(dòng)架板；兩個(gè)固定滑動(dòng)架板相互靠近遠(yuǎn)離的一側(cè)均固定滑動(dòng)裝置安裝的只有固定升降板；兩個(gè)固定升降板相互遠(yuǎn)離靠近的在另一側(cè)固定裝置安裝的只有同一個(gè)頂部控制板，頂部控制板的頂部滑動(dòng)開設(shè)的只有兩個(gè)滑動(dòng)調(diào)節(jié)孔；兩個(gè)滑動(dòng)調(diào)節(jié)孔內(nèi)均固定滑動(dòng)裝置安裝的只有主動(dòng)電機(jī)拆解板；兩個(gè)主動(dòng)電機(jī)拆解板相互遠(yuǎn)離靠近的一側(cè)均滑動(dòng)固定裝置安裝的只有第一齒條；兩個(gè)固定調(diào)節(jié)板的孔相互遠(yuǎn)離靠近的在另一側(cè)內(nèi)壁上滑動(dòng)開設(shè)的只有同一個(gè)固定調(diào)節(jié)孔；兩個(gè)第一齒條均與第一齒輪相互嚙合，調(diào)節(jié)孔的內(nèi)壁上固定裝置安裝的只有兩個(gè)氣缸，氣缸的兩個(gè)輸出傳動(dòng)軸通過固定裝置連接在主動(dòng)電機(jī)拆解板的一側(cè)，所述主動(dòng)固定拆解板的底部固定開設(shè)安裝有多個(gè)凹槽，多個(gè)傳動(dòng)凹槽內(nèi)均固定轉(zhuǎn)動(dòng)一端安裝安設(shè)有一個(gè)切割盤，多個(gè)切割盤的一側(cè)均頂部固定滑動(dòng)安裝安設(shè)有第一圓桿，多個(gè)傳動(dòng)凹槽的頂部一側(cè)內(nèi)壁上均固定開設(shè)安裝有一個(gè)圓孔，圓桿固定轉(zhuǎn)動(dòng)一端安裝在其相對應(yīng)的一個(gè)圓孔內(nèi)，多個(gè)圓桿的桿上一端均頂部固定滑動(dòng)安裝安設(shè)有鏈輪，多個(gè)傳動(dòng)鏈輪上同一傳動(dòng)鏈條連接安裝有同一個(gè)傳動(dòng)鏈條，多個(gè)鏈輪的其中一個(gè)放在鏈輪的桿上一側(cè)固定滑動(dòng)安裝安設(shè)有第一蝸輪，凹槽的頂部內(nèi)壁上固定開設(shè)安裝有第一傳動(dòng)桿圓孔，傳動(dòng)孔內(nèi)固定轉(zhuǎn)動(dòng)一端安裝安設(shè)有第一傳動(dòng)桿，傳動(dòng)桿的頂部底端滑動(dòng)點(diǎn)端固定安設(shè)加裝有第一圓錐蝸桿，第一圓錐蝸桿與第一蝸輪采用嚙齒結(jié)合，傳動(dòng)桿的底部頂端固定滑動(dòng)安裝安設(shè)有第一個(gè)圓錐齒輪，兩個(gè)主動(dòng)固定拆解板的頂部均固定轉(zhuǎn)動(dòng)一端安裝安設(shè)有第一轉(zhuǎn)動(dòng)桿，兩個(gè)固定轉(zhuǎn)動(dòng)桿的桿上一端均固定開設(shè)安裝有伸縮槽，頂部控制板的頂部固定滑動(dòng)安裝安設(shè)有第一連接座，連接桿與座上固定轉(zhuǎn)動(dòng)一端安裝安設(shè)有第一連接桿，連接桿一端滑動(dòng)分別安裝在兩個(gè)主動(dòng)伸縮板凹槽內(nèi)，連接座與桿上一端固定滑動(dòng)連接安裝有第二第一控制輪，連接座的頂部固定頂端安裝安設(shè)有第二電機(jī)，第二電機(jī)的驅(qū)動(dòng)輸出端與軸上部的固定頂部連接安裝有第一控制輪，第一控制輪與第二控制輪嚙合，所述主動(dòng)機(jī)在拆解板的兩側(cè)均分別開設(shè)一個(gè)有固定槽，兩個(gè)固定板在槽內(nèi)均可以滑動(dòng)于已安裝的另有一個(gè)移動(dòng)拆解板，兩個(gè)移動(dòng)板相互遠(yuǎn)離的一側(cè)均固定安裝有被動(dòng)拆解板。所述各個(gè)固定槽的頂部內(nèi)壁上分別開設(shè)的各有一個(gè)滑槽，移動(dòng)后在板的頂部固定槽的安裝處設(shè)有一個(gè)滑塊，滑塊內(nèi)的滑動(dòng)板可安裝在各個(gè)滑槽內(nèi)，兩個(gè)安裝滑塊的另外一側(cè)內(nèi)部分別開設(shè)的滑槽只有一個(gè)安裝螺紋孔，滑槽內(nèi)部在安裝轉(zhuǎn)動(dòng)停止處和外部安裝轉(zhuǎn)動(dòng)處分別設(shè)有第二絲桿，第二絲桿螺紋安裝在螺紋孔內(nèi)，第二絲桿上固定套設(shè)有第二蝸輪，主動(dòng)拆解板的兩側(cè)均開設(shè)有控制槽，兩個(gè)控制槽內(nèi)均轉(zhuǎn)動(dòng)安裝有第二齒輪。齒輪調(diào)節(jié)孔的兩側(cè)內(nèi)壁上均經(jīng)過固定分別安裝了各有第二鏈輪齒條，第二鏈輪齒條與其相對應(yīng)的第二鏈條齒輪齒相嚙合，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)控制槽的底部內(nèi)壁上均分別開設(shè)了各有一個(gè)旋轉(zhuǎn)控制孔，兩個(gè)第二齒輪的底部均固定安裝有旋轉(zhuǎn)桿，旋轉(zhuǎn)桿轉(zhuǎn)動(dòng)安裝在對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)孔內(nèi)，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)桿的底端均固定安裝有第二蝸桿，第二蝸桿與對應(yīng)的第二蝸輪嚙合。

4 安全實(shí)現(xiàn)要素

4.1 安全管理

我國的鈦酸鋰電池安全管理體系有一套相對完善的安全生產(chǎn)管理操作規(guī)則，鋰離子復(fù)合電池安全生產(chǎn)設(shè)備出來后，在安全到達(dá)廣大消費(fèi)者手中之前，還可能需要對其進(jìn)行一系列啟動(dòng)檢測，包括：電池?cái)D壓啟動(dòng)測試、撞擊啟動(dòng)測試、短路啟動(dòng)測試、溫度控制循環(huán)啟動(dòng)測試等，有效保證離子電池的使用安全性，降低電池安全隱患。聯(lián)鼎作為專業(yè)的第三方檢測機(jī)構(gòu)，擁有國外各大權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)可的實(shí)驗(yàn)室，能夠快速為你提供專業(yè)的檢測服務(wù)。鋰電池安全無法徹底解決，但是可以通過嚴(yán)格的安全檢測，降低風(fēng)險(xiǎn)，提高消費(fèi)者使用的安全系數(shù)。

4.2 安全隱患

一般來說，鋰離子燃料電池長期出現(xiàn)安全隱患的問題主要表現(xiàn)在：較為快速燃燒甚至發(fā)生爆炸。出現(xiàn)這些安全隱患問題的原因主要在于大部分離子電池的電源熱供應(yīng)失控，除此之外，一些外部安全因素，如電池過充、火源、擠壓、穿刺、短路等安全隱患問題都可能會(huì)直接導(dǎo)致電池安全隱患出現(xiàn)。

5 小結(jié)與展望

本文主要進(jìn)行了我國動(dòng)力電源鋰電池材料拆解利用試驗(yàn)成果研究，根據(jù)拆解試驗(yàn)成果結(jié)果及分析有以下結(jié)論：

（1）對于動(dòng)力電源鋰電池徹底封閉拆解后的回收操作方式，必須充分利用一種全自動(dòng)化徹底拆解回收設(shè)備，對其進(jìn)行完全封閉方式拆解，不能直接采用人工方式拆解，避免對正常操作過的工人身體造成較大身體上的傷害。

（2）我們可以考慮采用含氟砂輪片自動(dòng)切割機(jī)的方式對含氟動(dòng)力電池進(jìn)行切割，切割多個(gè)工位后會(huì)產(chǎn)生較多的電池粉塵，并同時(shí)排放大量含氟電池廢氣，必須同時(shí)配備電池粉塵廢氣過濾處理設(shè)備、含氟電池廢氣凈化處理器等設(shè)備對電池粉塵、廢氣處理進(jìn)行除塵凈化，防止造成環(huán)境污染。

（3）水池電芯外殼夾爪分離后的取芯，這種操作方式對夾爪分離后的水池電芯外殼進(jìn)行抓取，可靠性并不穩(wěn)定，原因主要可能是部分家用電池組在繼續(xù)使用水池電芯外殼過程中，由于水池組的電芯夾爪外殼粘附材料與部分水池機(jī)芯電解液相互作用，從而導(dǎo)致外殼膨脹或溫度上漲，從而緊固了部分電池組的電芯夾層外殼，夾爪抓取水池電芯外殼過程中，由于電池進(jìn)入空氣過程中的化學(xué)負(fù)壓以及電芯外殼力粘附夾層材料之間摩擦力的相互作用等等，都會(huì)嚴(yán)重阻礙水池電芯外殼夾爪分離，在繼續(xù)進(jìn)行電芯夾爪抓取水池電芯外殼過程的途中，易發(fā)生外殼撕裂破碎，從而容易導(dǎo)致造成水池電芯外殼夾爪分離后的取芯過程無法正常順利完成。

本文結(jié)合拆解技術(shù)試驗(yàn)研究結(jié)果，對于動(dòng)力電池生產(chǎn)自動(dòng)化設(shè)備拆解，環(huán)保能源回收充電設(shè)備技術(shù)研發(fā)，生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化，具有重要的研究指導(dǎo)意義。綜合上述試驗(yàn)研究結(jié)果，還需要對我國動(dòng)力電池自動(dòng)智能拆解技術(shù)設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行二期工程設(shè)計(jì)技術(shù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)我國動(dòng)力電池全自動(dòng)智能拆解，滿足動(dòng)力電池材料回收生產(chǎn)行業(yè)、企業(yè)的回收生產(chǎn)技術(shù)需求，推動(dòng)我國動(dòng)力電池回收工業(yè)化以及回收生產(chǎn)技術(shù)水平的穩(wěn)步發(fā)展。