新能源汽車廢棄鋰電池環境危害及處理方法

佟　玲

（聯合赤道環境評價有限公司天津300042）

新能源汽車廢棄鋰電池環境危害及處理方法

佟玲

（聯合赤道環境評價有限公司天津300042）

我國新能源汽車產業的迅速崛起，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狀

鋰離子電池具有工作電壓高、比能量大、體積小、質量輕、循環壽命長、無記憶效應等優點，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業快速發展，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的規模，如果回收處理不當，所造成的環境危害，恐怕是數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。根據計算，1g鋰轉化為鋰離子時所能得到的電荷數為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、循環壽命長和無污染性等優點，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、電解質溶液等物質對環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如果進入環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及其轉化產物，如LiPF6、LiAsF6、LiCF3SO3、HF、P2O5等，溶劑及其分解和水解產物，如DME、甲醇、甲酸等，都是有毒有害物質，可造成人身傷害，甚至死亡[2]。

以我國電動汽車的發展速度，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，所造成的環境危害，恐怕是數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將該溶液直接合成正極材料、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，由于多個電池串聯成電池組，難以做到完全均一充放電，因此導致串聯的多個電池組內的單個電池會出現充放電不平衡的狀況，電池會出現充電不足和過放電現象，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，從而充分發揮其剩余價值。

其次，很多機構對回收的電池，做了大量的數據測試發現，很多退役動力電池，不論從容量、性能和循環壽命上看，仍有著尚可的表現。通過梯度利用，不僅可以讓動力蓄電池性能得到充分發揮，有利于節能減排，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，梯次利用更能夠發揮產品的最大價值，實現循環經濟的利益最大化，是更為綠色和環保的做法。但梯次利用所面臨的難題和挑戰也非常的多，如果不能有效解決，就不能實現真正的產業化。

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、德國和日本已經有不少示范應用的項目，他們在積極探索技術、成本、商業模式等方面的問題和難點，為后續大規模的產業化做儲備。我國鮮有企業在這方面投入資源進行產業化的探索和積累，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、分布式發電、微網、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，會有良好的發展潛力。長期來看，如果一些技術難點得以解決，在大型和超大型的商業儲能和電網級儲能市場，梯次利用也會有廣闊的前景。實際上，儲能產品的經濟效益測試和商業模式探索，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的成本，消除儲能產品大規模應用的最大障礙，帶來更為明顯的經濟效益和社會效益。

在電動汽車作為新型產業領域，我們必須改變過去粗放式的發展模式，不能單純的追求規模化效益，而是應該建立一個更加高效、更加精細的經濟模型，將廢舊鋰離子電池回收資源化納入到產業鏈中，朝著有效降低成本、減少二次污染和提高回收率方向發展，真正實現可持續發展的目標。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展起來之后才去考慮和規劃的，而是應該在當前，進行技術、市場、產業、政策、環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境污染分析與對策[J].上海環境科學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,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，主要研究方向環境影響評價。