電動汽車廢舊電池回收工藝研究

魏錦雯　杜英　謝麗娟　唐會敏　李晨雨　張雷

摘要：本文著重研究廢舊鋰離子動力電池拆解后回收工藝相關問題。在分析鋰離子電池結構與成分的基礎上，對其回收步驟：預處理、二次處理、深度處理等進行具體的實驗分析，經研究分析總結出污染更小、回收效率更高的廢舊鋰離子動力電池回收工藝。

關鍵詞：動力電池;預處理;二次處理;深度處理

1 ?研究背景

目前石油能源日漸減少，這使得世界各大汽車公司都在著力研究新能源汽車，其中電動汽車成為新能源中的主力。現下中國主推鋰離子電池動力汽車，這使得電動汽車得到了大力發展，電動汽車成爆發式增長，新的產業蓬勃發展是件好事，但同時也是令人擔憂的。電池的報廢年限在3到5年，大量廢舊電池報廢后如果沒有得到良好的處理將會對環境帶來巨大的危害。為此，我們對廢舊鋰離子動力電池回收工藝進行深入研究，擬解決電動汽車廢舊電池回收問題。

2 ?電池結構

本項目主要以比亞迪電動汽車廢舊三元鋰離子電池為例進行實驗。三元鋰離子電池由電芯、保護電路和外殼組成。電芯主要由正極板、隔膜、負極板、電解液組成;正極板、隔膜、負極板纏繞或層疊，包裝，灌注電解液，封裝后引出正極耳和負極耳制成電芯。其中正極一般以鋁箔作為基底，兩側均勻涂覆正極材料，正極材料包括一定配比的正極活性物質（如鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、錳酸鋰和三元材料等）、導電添加劑（如乙炔黑、石墨等）以及粘結劑（聚偏氟乙烯（PVDF）為主）。負極一般以銅箔作為基底，兩側均勻涂覆負極電極材料，負極材料包括一定配比的負極活性物質（石墨、硅碳等）和粘結劑（丁苯橡膠（SBR）、丙烯酸樹酯（PAA）、羧甲基纖維素鈉（CMC-Na）等）。

3 ?廢舊鋰離子電池回收步驟

對文獻進行整理并結合大量實驗得出廢舊電池回收流程大致分為三步：預處理、二次處理、深度處理。在預處理時大多數實驗都選擇粉碎，之后再將各個元素逐漸分離提純。我們設想對鋰離子電池進行拆解，從而得到整片的鋁箔、隔膜、銅片，還有三元鋰粉溶液。對此，我們只需對三元鋰粉進行化學分離，可以使分離更容易，從而達到純度更高。

3.1 預處理

鋰離子電池預處理需要進行三步操作：拆解、放電、化學處理、負極處理。

①初步處理：用尖銳物劃破塑料外層，拆除廢舊鋰離子動力電池外層的塑料膜，將鋰離子電池的金屬外殼展露出來。

②深度放電。由于鋰離子電池密度大，在電池報廢后仍存有一定能量，為此需要對報廢鋰離子動力電池進行深度放電處理。經實驗對比我們發現直接或快速的短路放電，優點是放電速度快，但缺點也相當明顯，短時間內產生大量熱量，極易產生爆炸，不可大批量工業作業。為此我們將電池放置在濃度為20%的NaCl溶液中，浸泡24h，相比之下時間長了很多，安全得到了保證，可實現工業化大批量處理。

③除去HF。用老虎鉗夾住晾干后的廢舊電池，并用角磨機將電池頭部切削掉，然后迅速投入pH值為9-10的NaOH溶液中浸泡3分鐘。

④將電芯從外殼中取出，將正極與負極兩片進行物理分離。處理負極，負極的處理很簡單，將負極材料浸泡在純凈水中10分鐘后，輕輕抖動即可分離負極集流體銅箔和石墨。

3.2 二次處理

主要是將鋁箔與粘結劑分離，正極具有多種有價金屬，極具回收價值，兩者的分離有一定的難度，為此我們研究出用兩步驟，先將鋁箔與正極和粘合劑分離，再將粘結劑與正極分離。

首先是將正極材料浸泡在濃度為10%的NaOH溶液中3-5分鐘溶解極少部分正極集流體即可得到干凈完整的鋁箔;

然后用有機溶劑（二甲基亞砜或N-甲基吡咯烷酮）在60攝氏度條件下浸泡90分鐘溶解正極粘結劑。利用的是有機溶劑相似相溶原理將金屬離子與粘結劑相分離，過濾最終得到三元鋰粉溶液。

3.3 深度處理

深度處理分為浸出和分離提純兩部分，對三元鋰粉進行進一步分離。

①浸出過程采用酸浸法浸出正極活性物質中的鎳、鈷、錳、鋰等金屬，其中葡萄糖酸對三元材料有很好的浸出效果，工業應用前景很好。

我分離提純是將化學沉淀法與萃取法聯合浸出液中的有價金屬離子，充分發揮兩種方法的優勢，可以有效提高有價金屬離子的回收率。化學沉淀法是向浸出液中添加特定的沉淀劑將浸出液中的金屬離子沉淀出來，得到相應的金屬化合物產品。化學沉淀法的核心是控制好溶液的 pH值，在不同的pH值下，沉淀出相應的金屬離子，易于實現工業化生產，回收率較高，成本較低。溶劑萃取法是目前常用的回收浸出液中有價金屬離子的方法，即利用特定的有機溶劑與溶液中的有價金屬離子（Ni2+、Co2+、Mn2+等）形成配合物，從而對金屬離子進行分離回收。

電動汽車廢舊電池回收工藝流程圖如圖1所示。

4 ?回收過程中解決污染的措施

鋰離子電池的電解液會與水發生反應，產生有毒的HF，從而對工作人員造成傷害，污染大氣。除去HF要用老虎鉗夾住晾干后的廢舊電池，并用角磨機將電池頭部切削掉，然后迅速投入pH值為9-10的NaOH溶液中浸泡5分鐘。

負極材料中含有石墨，粉塵遇明火或高溫可發生爆炸，經處理的石墨是潮濕的，非干燥的，從而避免危險的發生。

隔膜燃燒會產生CO、醛等物質，本實驗中進行直接成片式物理分離，避免了燃燒污染。

5 ?結論

廢舊鋰離子電池不僅有極大的污染能力，處理不當還會出現爆炸的可能，廢舊鋰離子電池會對環境造成污染對人和動物也可能造成直接的危險。其產生的污染物含有大量重金屬難以降解，造成的破壞難以恢復，且會產生有毒氣體污染大氣等破壞性。這足以引起我們對處理廢舊鋰離子電池的重視。由于鋰離子電池的大力發展，其中的金屬資源變得緊缺起來，使得鈷、鎳等金屬價格上漲，電池生產成本提高，對電池進行合理的回收再利用將在未來有巨大的商業價值與現實意義。電池中蘊含著大量的緊缺有價金屬元素的鈷、鎳、錳、鋰、銅、鋁等，處理不良會導致水土重金屬污染，緊缺金屬資源浪費。對電池的合理回收研究勢在必行，不斷優化回收方法和工藝、減少對環境的污染、減少金屬資源的浪費，方可應對廢舊電池帶來的危險。

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作者簡介：魏錦雯（1997-），女，吉林長春人，北華大學學生，學士學位，研究方向為新能源汽車;杜英（通訊作者）（1973-），女，吉林榆樹人，講師，碩士研究生，研究方向為新能源汽車、汽車環境工程;謝麗娟（1998-），女，吉林東豐人，北華大學學生，學士學位，研究方向為新能源汽車;唐會敏（1997-），女，江蘇泗陽人，北華大學學生，學士學位，研究方向為新能源汽車;李晨雨（1999-），男，河北井陘人，北華大學學生，學士學位，研究方向新能源汽車;張雷（1997-），男，吉林德惠人，北華大學學生，學士學位，研究方向為新能源汽車。