廢舊鋰電池資源化回收利用工藝探究

龔允玉

【摘 要】隨著鋰電池應用量的增加，越來越多的目光集中于廢舊鋰電池資源回收的處理方案之上。廢舊鋰離子電池材料未經處理一旦進入了環境中，正極材料中包含的金屬離子、負極材料碳粉塵、電解質中的強堿和重金屬離子，均可能對環境產生一定程度的影響，甚至造成重金屬污染，因而廢舊鋰電池資源回收再利用本身具有極高的環保效益。基于上述分析，本文結合某廢舊鋰電池資源回收利用項目，對回收過程中使用的工藝手段進行分析，旨在提升鋰電池回收再利用的技術水平，減少鋰電池給環境的污染，增加回收效益。

【關鍵詞】廢舊鋰電池;資源化;回收利用;工藝手段

中圖分類號： TM912文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）18-0021-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.18.010

0 引言

鋰電池是一種對環境友好型電池，因其性能方面的優勢，實際使用量呈現出了上升趨勢，相對地，廢舊電池的數量也在持續增加。為避免環境污染問題擴大化，廢舊鋰電池回收處理的推進工作勢在必行。考慮到我國當前鈷資源較為欠缺，本文基于實際項目，通過先進資源回收工藝技術實現電極金屬材料再利用，希望能為相似工程起到借鑒作用。

1 項目概況

鋰電池含有鈷與鋰等具有回收價值的金屬，通過回收工藝，可形成資源循環利用系統。基于調試回收利用鋰電池的流水線、調試記錄情況，確定了此回收系統的實際可用性。本文站在如何有效獲取電池電極材料中金屬物質的角度，確定各類工藝方案的實際可行性，形成安全、可有效發揮作用的處理方案，從而完成鋰電池回收工作。

2 電池概述

2.1 結構組成

鋰電池主要由電芯與外殼共同構成。電芯中有隔離膜與正負極：正極活性材料中有碳黑導電劑、鈷酸鋰粉末與有機粘合劑，這些材料被直接涂附在鋁片材質的集電體部位;負極活性材料主要成分為碳素粉末，除此之外還有較少的粘合劑，材料涂附于銅片集電體中。鋰電池在進行多次充放電活動之后，會出現容量降低、電極膨脹的現象，最終報廢[1]。

2.2 回收特點分析

鋰電池的實際構成成分較為復雜，如果回收處理不當將會帶來嚴重的二次污染問題，同時也具有一定程度的危險性。鋰電池內部部分物質在接觸水之后會形成水解反應，產生劇毒氣體，高分子膜與電解質在溫度條件達到300℃后甚至有可能出現燃燒的現象，加熱與破碎電池后會出現短路放電情況，嚴重時還會形成爆炸或者毒氣事件[2]。

3 廢舊鋰電池回收流程及工藝

3.1 流程設計

回收處理流程圖請參見圖1。利用本回收處理系統可以在一定程度上為分離環節中的能量消耗量的縮減提供幫助。通過下文回收系統，所得到的鈷酸鋰粉末的實際純度接近90%，甚至可以被直接應用到產品原料中進行生產，初步實現了減量化、無害化與資源化的回收處理要求。

3.2 內容物獲取

首先，需要對獲取的廢棄電池進行分類，獲取鋰離子電池。通過啟動破殼機設備，來對電池外部的外殼實施破碎處理，從而獲取鋰電池內部的內容物，塑料外殼與金屬材料將被分離，進行下一步處理處理。正極活性物質包括錳酸鋰、鎳酸鋰與鈷酸鋰;負極活性物質有軟碳、硬碳與石墨;電解質鹽可直接在電解液中溶解。

3.3 物理分選：正極材料

首先，對從鋰電池內部獲得的內容物開展物理分選，主要收集鋁質正極片與活性涂層，銅質負極片與涂層將進行另外處理。隨后，將正極片與涂層輸送到破碎裝置內，實施破碎處理，處理之后可以獲得正極粉末與鋁質顆粒的混合物。最后，對顆粒混合物進行精細化過篩操作，從而分離混合在一起的正極粉末與鋁質顆粒。

3.4 材料分析與深度提純工藝

完成前期簡單的分離處理之后，可繼續對獲取的材料進行深度提純處理，此處可以使用浸出液合成電極材料方法、沉淀法或者有機萃取法。

通過浸出液來對電極材料進行合成，使浸出液參與到化學活動中，將檸檬酸或者NaCO3物質添加到正極材料的浸出液之中，一定時間后會，溶液內會出現沉淀現象。隨后，運用烘干或者過濾等常規方法，可以取得浸出液中的沉淀粉體，再使用高溫處理的方法，就可以獲取含有Li元素的電極材料。以鎳鈷錳酸鋰三元物質的制備為例：其浸出液添加物質為CoSO4、NiSO4、MnSO4，將摩爾比控制到1：1：1，隨后使用高溫焙燒處理方法，則可以得到該物質沉淀粉體。這種方法操作過程簡單，可以使回收率維持在較高的水平線上，使產品維持較高的性能，但是這種方法的消耗能量較大，還存在二次污染的風險，相對而言，可行性較低。

使用沉淀法時需要運用沉淀劑來影響浸出液，使液體中的金屬離子形成沉淀從中析出，從而對沉淀物進行回收處理。這種方法的應用頻率較高，相關的研究成果也比較多。在對正極材料中的Li2CO3進行回收時，主要使用濃縮處理手段，將濃縮后的原料存放到水浴鍋中，調節溫度至85℃，進行加熱之后攪拌原料，而后加入堿液與草酸物質，達到除雜的技術目的，溶液的pH值需保持在10，反應時間達30min之后，進行過濾處理，將具有吸附性的絡合劑與碳粉添加到濾液中，攪拌時間設定為20min，進行過濾，將具有一定濃度的Na2CO3與濾液混合，提升溫度至95℃，反應時間為40min，隨后進行過濾操作。在最后的環節中，應使用去離子水來完成濾餅洗滌工作，烘干后即可獲得Li2CO3。在使用這種方法展開回收工作時，單次回收鋰的回收率可超過80%，綜合回收率接近100%。通過運用沉淀劑可使金屬離子以沉淀物的方式有效析出，但運用這種方法時的問題也比較明顯，試劑使用量也需要按比例增加，而作為沉淀物的金屬多為復合物，后續利用與分離工作的開展難度均比較高[3]。

有機萃取法需要使用者選用由多種有機溶劑構成的混合物或者單獨的溶劑，在與金屬離子進行反應之后，可生成配合物，配合物內部的金屬離子可直接轉移到其他的有機溶劑中，達到提純分離的處理目的。這種方法的應用過程相對簡單，可確保金屬資源的高回收率，最終的產物也具有較高的純度，但是需要對有機溶劑的成本進行關注，除了價格偏高之外，對于人體與環境都存有危害，回收有機溶劑的難度較高，形成工業化系統的需求難以被滿足，需要從提升效率與降低應用成本兩方面來改進這一方法。

4 新舊工藝對比分析

隨著對回收處理與應用鋰電池工藝手段的不斷研究，在原有手段的基礎上，新的回收工藝也逐步形成，研究重點轉移到修復鋰電池的正極，使存在容量衰退問題的鋰電池也可被有效使用，同時可以降低電池的制備成本。再制造技術屬于新型回收工藝，通過先進的脈沖激光技術可對電極片進行清洗，去除鈍化膜，細化電池內部有回收價值的粒子，改善電極的實際質量，在運用這種新的工藝方法時需要控制所用的能量，否則會降低再造電池的能力。相比原有的回收工藝技術，新的工藝手段幫助縮減了電池的成本，使電池維持更長的應用周期，幫助節省了資源，消除環境污染。但是，新工藝還不夠成熟，缺陷尚且存在，較投產應用的目標還存在著一段不短的距離，持續優化改進工作尚需推進。

5 結論

本項目針對廢舊鋰電池的處理需求展開研究，通過科學的系統來對正極材料進行可靠分離，而后又展開了深入提取工作，化解了電池處理環節中的安全風險，不僅提升了回收利用鋰電池的安全性與效率，還創造了更高的生產效益與環保效益。在日后還需對回收處理系統進行進一步的優化，將多種可用的工藝手段結合使用，從而消除成本偏高、廢氣污染等方面的問題，盡早實現鋰電池處理回收系統一體化與工業化的發展目標。

【參考文獻】

[1]楊光，張鵬，鐘岸，et al.廢舊鋰離子動力電池的回收研究進展[J].廣東化工，2018.

[2]楊宇，梁精龍，李慧，et al.廢舊鋰離子電池回收處理技術研究進展[J].礦產綜合利用，2018，214（06）：12-17.

[3]李建波，徐政，紀仲光，et al.廢舊鋰離子動力電池回收的研究現狀[J].稀有金屬，2019（2）：201-212.