廢棄鋰離子電池回收處理的污染物分析

胡朝鋒 程樹國

河南華瑞高新材料有限公司 河南新鄉(xiāng) 453000

1 實驗及分析方法

1.1 樣品收集

實驗開始前首先對樣品進(jìn)行準(zhǔn)備，鈷酸鋰電池可以從日常不能使用的電子產(chǎn)品中進(jìn)行回收。磷酸鐵鋰電池通過從電動公交車上不能在使用的電池中進(jìn)行回收。

1.2 放電處理

對于回收到的鋰離子電池，需要進(jìn)行放電處理，放電處理既是為了保證在回收處理的過程中有足夠高的安全性，防止出現(xiàn)意外事故。在本次實驗中使用飽和氯化鈉溶液進(jìn)行浸泡達(dá)到放電效果，浸泡的時間要確保在16小時以上，以保證電池處于完全放電態(tài)。

1.3 拆解

對放電處理后的電池進(jìn)行拆解分離，將外包裝、金屬外殼或鋁塑膜、正負(fù)極極柱等分解開。分解的鋰離子電池主要包括：外部包裝、金屬外殼或鋁塑膜、正負(fù)極極柱、正負(fù)極極片和隔膜[1]。

1.4 成分分析

將拆解后的鋰離子電池各部分取樣并粉碎，利用微波進(jìn)行前處理。使用硝酸和鹽酸為微波消解溶劑，微波消解溶劑的溫度應(yīng)該控制在合理范圍內(nèi)，時間為20分鐘，利用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀分析金屬含量，包括Li、Al、Mn、Fe、Co、Ni、Cu。

1.5 熱處理

為了使鋰離子電池回收處理的方式更加簡單，在此次試驗中主要將廢鋰離子電池的內(nèi)部成分取出之后直接投入到高溫反應(yīng)爐中進(jìn)行熱處理，通入反應(yīng)氣體并且控制不同的溫度，通過熱處理將廢鋰離子電池中的非金屬成分進(jìn)行分解，將熱處理后的殘余成分回收。

1.6 采樣分析

采樣分析是實驗中的最后環(huán)節(jié)，對燃燒室的溫度、氣體流量等進(jìn)行全程的監(jiān)控，并且對溫度以及流量進(jìn)行及時的調(diào)整，達(dá)到實驗的規(guī)定范圍。用煙道氣體分析儀對燃燒的廢棄成分進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)控，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)方法對熱處理后的殘余物中的金屬含量以及燃燒排氣中的重金屬濃度進(jìn)行檢測，對金屬中排出的氣體以及殘余金屬量分布情況分析[2]。

2 結(jié)果與討論

2.1 廢鋰離子電池組成與成分分析

此次試驗主要是對應(yīng)用比較廣泛的、不同牌子的廢鈷酸鋰電池進(jìn)行拆解，主要有外部包裝、金屬外殼或鋁塑膜、正負(fù)極極柱、正負(fù)極極片和隔膜等部分。試驗結(jié)果表明，不同品牌的廢鋰離子電池因為材料以及設(shè)計有所不同，各部分的占比存在差距，每只鈷酸鋰電池的重量在17到26克之間。為了得到廢鈷酸鋰電池的主要金屬成分和含量，將上述電池拆解后的正負(fù)極極片同時進(jìn)行微波消解，并且應(yīng)用ICP-AES對金屬的成分以及含量進(jìn)行分析，結(jié)果表明：鋰 5．27%、鋁 9．91%、鈷 46．97%、鎳 0．48%、銅 37．34%。此次試驗對廢磷酸鐵鋰電池進(jìn)行拆解并分析成分，每只廢磷酸鐵鋰電池重量大約為350克，與鈷酸鋰電池相比其重量以及體積相對較大其主要組成為：金屬箔（正極）52．51%、石墨（負(fù)極）24．56%、隔離膜 7．93%、金屬外殼 9．93%、外部包裝（含電極）0．73%。

2.2 廢鋰離子電池不同熱處理條件的殘余金屬量

（1）對不同熱處理溫度進(jìn)行比較。不同處理溫度對廢鋰離子電池處理后的殘余物含量的高低區(qū)別是非常大的，實驗中將溫度控制在400、600、800攝氏度，在去掉外殼的鋰離子電池在進(jìn)行熱處理之前對質(zhì)量先進(jìn)行檢測，經(jīng)過熱處理之后的廢鋰離子電池再次進(jìn)行質(zhì)量檢測，然后對熱處理殘留物的比例進(jìn)行計算。實驗的最終結(jié)果可以了解到，在溫度為400攝氏度時鈷酸鋰電池與磷酸鐵鋰電池中殘留物的數(shù)量較多，比例較大，溫度在600和800攝氏度時，對殘留物的檢測可以發(fā)現(xiàn)比例與廢鋰電池不燃物的比例相符合[3]。

（2）對不同熱處理氣的比較，不同熱處理氣包括空氣、N2、Co對于廢鋰離子電池?zé)岱纸獬潭群突厥仗幚淼挠绊?。分別用上述的氣體作為進(jìn)流氣體進(jìn)行實驗。實驗溫度保持在600攝氏度 。通過實驗可以得知，進(jìn)流氣體是N2或Co時殘余物比例較高，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是熱處理氣為惰性或還原性時分解的機制為熱裂解和熱還原，屬于一種自發(fā)性反應(yīng)，對于鋰離子電池中的隔膜以及石墨無法進(jìn)行完全的分解。

（3）不同熱處理時間與處理量的比較。為分析不同熱處理時間與前處理程序（拆解與未拆解）對廢鋰離子電池回收處理效率的影響，此階段將廢鋰離子電池僅去除外部金屬殼后即投入高溫爐進(jìn)行實驗，并延長操作時間至 50分鐘；此外，為分析不同處理負(fù)荷量對廢鋰離子電池回收處理效率的影響，本階段另一實驗投入 2倍廢鋰電池量于高溫爐內(nèi)實驗。實驗中其他操作條件保持不變，將熱處理前后的廢鋰離子電池樣品分別測質(zhì)量，并分析熱處理殘余物比例及金屬含量，通過實驗可知，廢鋰離子電池未經(jīng)拆解就進(jìn)行熱處理時，廢鋰電池的殘留物比例較大。當(dāng)處理負(fù)荷量提高時，磷酸鐵鋰電池的殘留物比例較大，而鈷酸鋰電池的殘留物比例較小，產(chǎn)生這種結(jié)果的原因是磷酸鐵鋰電池的隔膜與其他雜質(zhì)含量比例較鈷酸鋰電池高有關(guān)。

2.3 熱處理金屬氣固流向分析

為了對鈷酸鋰電池以及磷酸鐵鋰電池在不同熱處理溫度過程中的排放情況，實驗中同時對燃燒排氣中的重金屬濃度進(jìn)行分析，實驗后對于吸收液進(jìn)行分析，結(jié)果顯示出排出的氣體的金屬濃度均較低。

3 結(jié)語

本文對廢鋰離子電池的回收處理污染物進(jìn)行了分析，得出結(jié)論，在熱處理溫度較低時（400℃）無法將隔離膜等雜質(zhì)完全燃燒，影響熱處理殘余物比例與金屬含量，當(dāng)燃燒溫度升至600-800℃是，可以快速燒除非金屬物質(zhì)以及有害成分，有利于廢鋰離子電池的回收和減少污染的排放。不同進(jìn)氣組成對廢鋰離子電池?zé)崽幚硇Чc金屬含量的影響不大，如果考慮到成本問題，在三種不同熱處理操作氣中，應(yīng)該首先選擇空氣。廢鋰離子電池?zé)崽幚磉^程中的氣體污染物排放濃度以600℃較低，從污染防治的角度分析，燃燒溫度控制在600℃為最合適的操作條件。