廢舊動力鋰電池自動拆解試驗研究

吳文峰+沙亞紅+黃敦新+周水根+趙勇禮

摘 要：隨著新能源電動汽車市場的快速發展，未來動力鋰電池報廢量將大幅增加。基于廢舊動力鋰電池的環境危害性與經濟價值性，需要研發環保、安全、可靠、高效的自動化拆解回收設備。本文結合動力電池拆解回收工藝流程，簡化部分工序內容著重于自動化拆解工藝設計動力電池自動拆解試驗設備，并完成了拆解試驗。本文拆解試驗結果表明，利用砂輪片切割動力電池具有可行性；切割工位是產生粉塵廢氣的主要工位，切割過程需重點防護粉塵廢氣泄露，并對粉塵廢氣進行環保處理；采用夾爪取芯方式對于鼓脹電池進行電芯外殼分離的可靠性不高。本文進行拆解試驗對動力電池自動化拆解環保回收設備研發及工藝優化，具有重要的指導意義。

關鍵詞：動力鋰電池，自動拆解設備，工業化綠色回收，切割粉塵處理，廢氣處理

0 引言

基于節能、環保、能源安全戰略優勢，我國正在大力發展新能源汽車新興產業。緊隨新能源汽車整體走勢，汽車動力電池出貨量也呈現大幅增長趨勢。動力電池出貨量從2014年的3.7Gwh攀升至2015年的15.7Gwh。2016年上半年出貨量繼續保持強勁增勢，1-6月動力電池出貨量達6.67Gwh，與2015年上半年2.72Gwh相比，同比增幅達1.45倍。預計到2020年動力鋰電池的需求量將達到125Gwh，報廢量將達到32.2Gwh，約50萬噸；到2023年，報廢量將達到101Gwh，約116噸。因此，汽車動力電池全生命周期研究勢在必行，從電池制造到報廢處理以及材料循環利用出發，真正使得整個產業鏈實現綠色、環保、循環可持續發展。

對報廢的車用動力鋰電池進行回收十分必要和重要，必要在于其環境危害性，重要在于其經濟價值性。動力鋰電池所含成分比較復雜，電池中含有重金屬元素（銅、鈷、鎳、錳等）、六氟磷酸鋰（LiPF6）、有機碳酸酯、難降解有機溶劑及其分解和水解產物。LiPF6穩定性較差，易熱分解、水解出產物PF5、HF等劇毒氣體。鈷、鎳、銅等重金屬在環境中具有累積效應，污染土壤和地下水源并通過生物鏈最終危害人類健康。同時，廢舊電池中的塑料或金屬外殼、電解液、電解質鹽以及電極廢料均具有回收價值。鋰電池正極鈷、鋰材料資源稀少具有很高回收價值，正負極集流體鋁箔、銅箔也具有回收價值。對于動力電池進行資源化回收，不但可以減少廢舊電池對于環境的污染，帶來顯著環境效益，還能實現電池中資源組分的充分回收利用，產生巨大經濟效益，同時積極響應國家發展循環經濟、建設節約型社會的發展戰略。

目前國內動力電池回收主要依靠人工進行拆解，自動化拆解程度很低，而動力電池拆解過程中產生的廢氣、廢液、粉塵對環境、工人均具有嚴重的危害性，因此動力電池回收企業迫切需要自動化全封閉拆解設備，才能真正實現動力電池節能環保、安全可靠、高效率地拆解回收。本文針對國內傳統報廢電池拆解行業現狀及存在的問題進行分析，以及企業的自動化拆解設備需求，進行廢舊動力鋰電池自動拆解試驗研究，探索開發出動力鋰電池自動拆解生產工業化設備，推動我國廢舊動力電池循環利用行業發展。

1 動力電池回收流程

在電動汽車工況下，動力電池放電容量衰減到初始容量80%時即無法滿足車用要求，必須更換新電池以維持電動汽車性能。實際上容量衰減至80%的動力電池仍然有較好的性能和較長的壽命，可以滿足一些對性能要求不苛刻的領域，例如電網儲能、削峰填谷、低速電動車、場地車等使用環境。為了充分利用動力電池資源，節約動力電池的使用成本，目前對廢舊動力鋰電池回收利用主要是先進行余能梯次利用，最終再進行徹底拆解回收利用。動力鋰電池徹底拆解回收流程圖如圖1所示。

本文進行廢舊動力鋰電池自動拆解試驗研究，主要針對動力電池徹底拆解回收流程中的電池單體拆解試驗。目前大部分廠家生產的動力電池單體外殼主要為不銹鋼、鍍鎳鋼、鋁殼等。據行業調研了解，國內目前還沒有電池單體自動化拆解設備。

2 動力電池自動拆解試驗

2.1 拆解設備及試驗參數

本文進行廢舊動力鋰電池自動拆解試驗研究，主要采用了自行研制的電池單體自動拆解試驗設備，如圖2所示。自動拆解試驗設備主要完成電池電極頭切割、電芯與外殼分離、材料分類收集等，包括切割工位、取芯工位、封閉外罩、粉塵廢氣抽取等機構裝置。

在拆解過程中由人工進行上料，可以通過透明封閉外罩觀察切割、取芯過程效果，自動拆解試驗設備動作流程如圖3所示。

在拆解試驗中，動力電池輸送平臺、夾爪取芯機構的運動由伺服電機、減速機、滾珠絲杠驅動。拆解試驗參數如表1所示。

2.2 拆解廢氣

動力鋰電池單體自動拆解的粉塵、混合廢氣主要產生于電極頭切割工序。切割粉塵沿砂輪切線方向飛出，主要通過防護罩連接工業吸塵器利用布袋過濾收集。經試驗初步檢測，動力電池拆解產生的廢氣主要成分有氟化物（HF、PF5）、揮發性有機物（VOCs）、非甲烷總烴等，如表2所示。切割廢氣濃度較低、成分復雜、呈刺激性惡臭味，嚴重影響工人身體健康及周邊環境。

國家標準《環境空氣質量標準（GB3095-2012）》中規定氟化物1小時平均濃度（通量）限值為20μg/m3。拆解試驗中產生的廢氣成分氟化物濃度已超過國家標準，須采用有效凈化工藝對拆解廢氣進行處理。試驗中先過濾切割粉塵，抽取廢氣通入裝有堿液（質量分數10%的NaOH溶液）的大桶中，對試驗廢氣成分進行吸收再排放。

2.3 拆解結果分析

動力電池采用砂輪片切割方式，能夠順利完成切割，切割出來的電池頭存在一些切割廢料毛刺，切割完成后效果如圖4所示。

動力電池拆解試驗設計夾爪擠入電池內部，夾爪外側斜面撐開電池外殼，夾爪內側倒齒夾緊電芯材料后再拉出，從而分離電芯材料與外殼。取芯過程如圖5所示。

對于沒有鼓脹的廢舊電池，夾爪擠入電池后撐開外殼，可以完成取芯。對于已經鼓脹的廢舊電池，夾爪擠入電池撐開外殼，但無法取出電芯。動力電池取芯失敗如圖6所示。經試驗分析發現，鼓脹電池內部沒有間隙，電芯材料與外殼緊密貼合在一起，采用夾爪夾取電芯后拉出的過程中，電池內部存在空氣負壓力和摩擦力，并且夾爪夾緊力過大，拉出過程中電芯薄極片材料、隔膜容易被撕裂，從而導致取芯失敗。廢舊電池中已發生鼓脹的電池數量比較多，因此采用夾爪取芯方式對于動力電池自動化拆解批量生產存在比較大的風險。

2.4 改進試驗

經分析試驗中動力電池取芯失敗的原因后，設計多道縫環切電池外殼的方式進行人工試驗。試驗發現，電池經外殼多道縫環切、電池頭切割后，實現電芯材料與外殼順利分離，如圖7所示。

根據人工拆解試驗結果，后續方案設計采用電池外殼多道縫環切方式進行切割，有利于電芯材料與外殼順利分離，實現動力電池單體的自動化拆解。

3 小結與展望

本文進行了動力鋰電池拆解試驗研究，根據試驗結果及分析有以下結論：（1）動力鋰電池徹底拆解回收方式，必須利用全自動化拆解設備進行封閉拆解，不能采用人工拆解，避免對操作工人造成身體傷害。（2）可以采用砂輪片切割方式對動力電池切割，切割工位產生較多的粉塵并排放含氟廢氣，必需配備粉塵過濾設備、含氟廢氣處理設備對粉塵、廢氣進行凈化，防止環境污染。（3）夾爪取芯方式對分離電芯可靠性不穩定，原因是電池使用過程中電芯材料與電解液相互作用膨脹漲緊電池外殼，夾取過程中空氣負壓以及粘附摩擦作用阻礙電芯分離，并且電芯材料銅箔鋁箔薄極片、隔膜在夾取過程中易撕裂破碎，從而造成夾爪取芯無法完成。

本文拆解試驗結果，對動力電池自動化拆解環保回收設備研發及工藝優化，具有重要的指導意義。綜合試驗結果，還需要對動力電池自動拆解設備進行二期設計優化，實現動力電池全自動拆解，滿足電池回收行業、企業的生產需求，推動動力電池工業化回收技術水平的發展。

基金項目：廣東省科技計劃“動力鋰電池綠色回收一體機關鍵技術研究”項目（2015B020215003）