動力電池單體拆解機械的研究現狀與發展趨勢綜述

吳金東，余海軍，謝英豪，朱紅梅

（廣東邦普循環科技有限公司，廣東 佛山 528100）

0 引言

隨著新能源汽車的發展，動力電池作為其中的核心部件，其市場需求量越來越大，2020年我國動力電池的需求量已達到125Gwh。 而動力電池的平均使用壽命為5～8年，至今已全面迎來退役潮，預計2023年退役動力電池總量將達到116t。 如何合理有效的回收利用退役動力電池是擺在我國乃至全球面前的大難題，動力電池的安全批量拆解仍然面臨諸多棘手障礙[1-3]。

退役動力電池的拆解是一個危險性較強且勞動密集型的工作，目前我國大部分廢舊動力電池回收利用企業對動力電池的拆解還是停留在人工拆解或者半自動化階段，全自動電池拆解機械匱乏，拆解效率低下。 近年來，工信部明確要求至2025年我國新能源汽車的銷售量要占汽車總銷售的25%，這表明動力電池的使用量和退役量將逐年遞增。 我國是鎳鈷錳等稀有金屬的進口大國，通過廢舊動力電池回收處理和資源再生的方式可以大幅度緩解稀有金屬進口負擔[4]，同時，為了保證我國新能源企業的長久發展，大力發展退役動力電池的拆解機械意義重大。

近年來，我國企業通過開展“校企研”相結合的模式，使得動力電池的拆解機械得到持續研究，并涌現出一大批研究成果，包括許多拆解機械的專利和論文。 但是，目前動力電池拆解機械的智能化程度較低，柔性化切割能力較差，安全性能有待提高，一些現代科技包括視覺分選系統、計算機輔助決策系統，在動力電池拆解機械上的應用緩慢[5]。 基于此，文章采取文獻調研與經驗總結相結合的方法，對現有動力電池單體拆解機械的現狀進行分析。從動力電池單體拆解的切割方式與電池自動化拆解機械兩個方面對文獻知識進行梳理與歸納。 結果表明：1）國內出現的眾多動力電池拆解方式，包括兩面切割、三面切割、環切等，都可以實現殼芯分離并保證電芯切割后的完整性。 2）目前集放電、上料、拆解、卸料于一體的自動化電池拆解機械，極大地提高了動力電池單體的拆解效率，促進了廢舊動力電池回收處理行業的發展。3）多功能、智能化、無害化的電池拆解機械仍是當前動力電池拆解機械的研究重點。

針對動力電池發展過程中存在的不足，本文提出發展方向如下：1）在當前自動化動力電池單體拆解機械的基礎之上，全面研究動力電池視覺分選系統與計算機決策系統，實現切割裝置的柔性化切割、智能化切割，增強動力電池單體拆解機械的切割質量與殼芯分離的效率。 2） 提高拆解過程的安全管控系統設計。 3）動力電池單體放電、拆解與殼芯分離一體機以及兼容性強、可批量拆解的多功能化動力電池單體拆解機是未來電池拆解機械的研究熱點。

1 傳統動電拆解方式以及現階段研究現狀

1.1 傳統退役動力電池拆解方式

我國傳統的動力電池拆解方式主要是人工拆解法和半自動拆解法[6]。

1）人工拆解法。 指操作人員手持切割機械、鉗子等工具進行拆解的方法，具體過程如下： 操作員佩戴防毒面具、保護手套、勞保鞋、安全帽等保護裝備，先將動力電池單體固定在切割夾具上，手持角磨機等切割機械，將動力電池端部含極頭的一端切割掉，再對側面的殼體進行切割，去除上端部和側面切割的動力電池通過鉗子將里面的電芯夾出，完成動力電池單體的拆解工作。 人工拆解的方法既浪費人力，又很難控制在切割過程中的切割深度，影響電芯的回收經濟效益和拆解效率。 特別是動力電池容量較大，若放電不完全可能會在人工拆解過程中發生短路自燃甚至爆炸現象，嚴重威脅到拆解人員的人身安全。 此外，在拆解過程中會產生有毒廢氣、廢液、廢渣等，不僅對人體十分有害，而且也會在資源化回收利用的過程中產生環境污染[7]。

2）半自動拆解法[8]。 通過非標切割機床，在工作人員的操作下先將動力電池放置于切割定位夾具上，再用鋸輪將電池的極頭自動切除，并進行卸料，當聚集到一定數量后，由操作人員將電芯取出。 現有的半自動拆解技術有效避免了人工切割造成的人員碰傷、割傷等，同時提高了切割效率，降低了勞動強度。 但是切割完后電芯的取出工序還是需要手工進行，整個拆解過程不連續，并且在電芯的提取過程中操作員會接觸到電解液及其揮發產生的有毒氣體，對于人體和環境都會造成危害[9]。 所以半自動拆解裝備不能滿足動力電池無害化、高效率、連續性拆解的需求。

1.2 現階段動電拆解研究現狀

新能源汽車產業屬于新興產業，2009年才開始正式進入我國的公共領域。 在政府的大力扶持下，我國新能源汽車產業快速發展。 隨著新能源汽車與動力電池技術的發展，退役動力電池的回收利用技術也正逐步完善。 國內外研究動力電池拆解技術的目的是在于提高電芯的完整度[9]，同時實現自動化作業，減少人工拆解的安全性隱患，使得動力電池拆解工序做到自動化、柔性化、高效化、安全化。 全自動動電拆解如圖1 所示，主要包括放電、上料、切割、取芯、卸料，部分拆解裝備設有安全、環保系統。

圖1 全自動動電拆解流程

1.2.1 放電裝置的研究現狀

放電是大部分動力電池拆解前的預處理工序，也有部分動力電池裝備通過控制切割條件不用放電而直接拆解。 目前主要的放電方式有物理放電法、化學放電法、物化結合放電法等，我國已經在動力電池的放電方面取得了很多研究成果。

2018年謝英豪等[10]采用物理放電的方式，設計了一種便攜式動力電池放電設備，該設備的放電行駛與普通的功率電阻放電不同，通過放電線路的創新型設計，有效解決了批量化電阻放電完成不同步的問題，并且利用反充電方式，消除了物理放電后電壓反彈的難題。2019年謝英豪等[11]發明了一種放電粒，將放電粒導入放電罐中，再將動力電池投入其中，通過攪拌使得動力電池不斷地與放電粒接觸，從而實現動力電池的大批量放電。

2017年周水根等[12]采用化學放電的方式，發明了一種自動放電系統，通過抓手將動力電池抓取放入注有化學溶劑的放電池內，之后撈出通過清洗系統完成清洗，通過化學放電完成的動力電池不會發生電壓的反彈，但是放電速度慢，所產生的三廢處理成本高。

之后，謝英豪等[13]又采用物理化學結合放電的方法，用自動噴吸器針頭刺穿動力電池安全閥并刺入一定深度，注入預定量的水，連接放電電阻與電池正負極，控制電流的大小，然后短接1s～10h，之后通過自動噴吸器的針頭將電池內部的水抽出，靜置一段時間完成放電。 采用該方法放電后的電池電壓不反彈，且安全性更高。

1.2.2 上料裝置的研究現狀

上料裝置是全自動拆解裝備的第一道工序，通過上料裝置將動力電池傳送至切割工序，現有的上料裝置主要有傳送帶、機械手、智能倉、鏈條等。

2014 陳炯文等[14]研制了一種批量無序上料裝置如圖2 所示，該上料裝置先通過調整輸送機將無序的動力電池單體推倒和拍平，使其有序向前運輸，經過影像系統識別動力電池的型號尺寸及電極頭后，再經旋轉盤將動力電池調整至合適的抓取位置，接著抓取動力電池進入切割工序。該上料裝置可以實現無序批量上料，能快速、準確地識別動力電池的型號尺寸以及方向，可靠地將電池按切割方向擺放。 但是調整輸送機的調節能力有待驗證，旋轉調節裝置的調節角度比較有限，不能滿足所有情況。

圖2 無序上料裝置

同一時期，孔偉浩等[15]發明了一種傳送帶與撥料機構相結合的上料裝置，該裝置通過傳送帶將動力電池單體傳輸至撥料機構，由撥料機構將動力電池撥到相應的拆解線上，該上料裝置結構簡單、協調性強，但是在傳輸過程中動力電池的方向狀態能否保持穩定還有待驗證。

2015年何耀唐等[16]提出了一種新的上料裝置如圖3所示，在上料框與機械手的配合下完成上料，該上料裝置的傳輸方式不同于以往的平面傳送，利用豎向升降機構、縱向移動機構以及電池拾起夾頭來進行自動化機械手轉運上料，該上料裝置精確度高、穩定性好，能夠非常可靠地抓取電池并放置到目標位置，且噪音小，但是機械手的抓取路徑會隨著上料框中電池的減少而增長，使得上料效率減緩。

圖3 上料框和電池拾取夾頭

在何耀唐的基礎上，2019年黃敦新等[17]將上料框進行了改進，使其更加智能化如圖4 所示，頂桿上設有傳感器，當檢測到空位，控制頂桿向上頂升一個電池，上料抓手進行抓取，抓取完一列后，環形軌道移動，進行新的抓取。 智能上料倉通過環形軌道和頂桿的頂升作用減少了機械抓手的抓取路徑，還能滿足人工一次批量上料，能保證在一定時間內系統的自動工作。

圖4 智能上料框

趙勇禮等[18]提出了一種鏈條式動力電池回收設備如圖5 所示，不同于皮帶傳送和機械手抓取轉移等上料方式，該裝備采用輸送鏈上料，可有效地抵抗拆解過程中產生的廢氣等，但是上料的批量化性能還有待提高。

圖5 鏈條式上料裝置

1.2.3 切割、取芯裝置的研究現狀

動力電池單體采用的是殼芯一體化結構，由內部電芯、鋼或者鋁外殼組成，外殼分為上端部、底部、側面等，其中上端面設有電極頭，極頭通過極片與內部電芯連接。 動力電池拆解的切割方式在不同的拆解裝備上各有不同。

2014年孔偉浩等[15]發明了一種帶鋸切割裝置，利用帶鋸的上下鋸切運動將動力電池的極頭去除，切割完的動力電池利用切刀撐開機構與機械夾手配合將電池電芯從殼體中分離出來。 該切割方式只切割一個面，切割裝置結構簡單，切割裝置上設有風冷裝置，這都可以很好的減少帶鋸的損耗。 但是電芯的取出機構較為復雜，由于電芯和殼體之間的縫隙很窄，這對于切刀的定位要求十分高，并且被撐開后的殼體變形會導致電芯與殼體貼緊度提高，增大了夾取難度。

不同于孫偉浩的帶鋸切割刀具，何耀唐等[16]提出了一種可補償式動力電池鋸切機構如圖6 所示，此裝置采用輪鋸代替帶鋸單面切割方式，并利用絲杠螺母的配合對鋸輪磨損掉的部分進行補償，以提高鋸輪的利用率，減少換刀成本。 電池夾持滑塊移動進過輪鋸切割機構，切割去除動力電池的極頭。 并且其還將切刀和夾取機構結合，可以一步完成對電芯的提取，提高了殼芯分離效率。 但是對于單面切割方式而言，切割后的電芯分離成功率、穩定性尚有待提高。

圖6 可補償動力電池鋸切機構

圖7 雙鋸片切割裝置

同一時期，陳炯文等[14]設計了一種雙鋸片的切割工具如圖7 所示，對動力電池單體的極頭端部和底部進行切割，該切割工具由定鋸片和活動鋸片組成。 并且該刀具組安裝在可移動的滑塊上，可通過齒輪嚙合進行調節，對于不同尺寸大小的動力電池單體可以進行精準定位和切割，切割使用無齒鋸片，切割口平整，產生的毛刺較少，切割完成后通過頂桿機構將電芯從殼體中分離出來。 進一步提高了切割的靈活性、兼容性，并且兩面切割的方式在一定程度上提高了切割后電芯的分離成功率。 但是切割過程中是否能對切割位置進行準確定位仍需要驗證，且未考慮切割前電池鼓包的穩定夾持問題。

隨著對拆解穩定性和效率的要求越來越高，很多學者更加傾向于提高裝備的空間利用率以及切割的穩定性。 程本陽等[19]將龍門車床與切割裝置結合起來，對動力電池極頭端面、底面和兩個側面中線進行切割，移動夾具夾住電池的兩側，在通過由上下輪鋸組成切割機構時完成動力電池側面中線的切割，之后繼續向前由豎直移動的輪鋸與水平移動的夾具配合完成對極頭與底面的切割，切割工位設計緊湊，空間利用率高。 切割后的電池在夾具的拉扯下殼體分為兩半，電芯在通過中心阻擋裝置時，被攔截下來，從而實現殼芯分離。 2016年劉京生等[20]發明了一種新的切割方式，通過工位的旋轉，高效地完成對動力電池極頭端面、兩個窄面中線的切割如圖8 所示以及底端的切割，四個面的切割通過三個切割工位來完成，在環形流水工作平臺上，可以連續性地完成切割工序，再通過平板頂出機構將電芯頂出。 該切割方式中完成外殼、蓋板、電芯的分離成功率高。 但是對于切割機的定位方式沒有明確的介紹，也沒有對切割前的動力電池單體的電壓進行檢測，頂桿的接觸面積太窄可能在電芯頂出時對其造成傷害。 對于方形動力電池而言，一般的切割路徑都是以直線為主，但如何實現動力電池的環切一直是一個較大的挑戰。

圖8 雙面切割裝置

隨著計算技術的發展，電機輔助控制系統逐漸應用于電池拆解裝備中，2019年黃敦新等[17]基于電機輔助控制系統發明了一種組合切割設備如圖9 所示，首先通過鋸輪將動力電池的極頭端切除，接著通過控制旋轉夾具和切割機構的配合，對動力電池單體側面中部，即動力電池的腰部進行環切，然后轉移至殼芯分離裝置。 該環切方式的切割區域較大，采用電機輔助控制系統對旋轉夾具進行精準控制，使得環切的深度可以保持均勻一致。

以上切割方式都是在正常環境中進行的，而柯勇等[21]首先構建了密閉拆解空間，然后抽真空，形成了負壓環境。通過擠壓輥的擠壓切割，將動力電池的電解液與殼體、電芯等固相分離，該方法可以減少動力電池的放電工序，并且處理量大，但是擠壓切割對電池電芯的破壞十分嚴重，也無法進行進一步的極片分離。

1.2.4 安全、環保系統的研究現狀

由1.2.1 小節可知，通過物理放電后的動力電池電壓會反彈，仍然會保持一定的殘余能量，拆解過程中會產生高溫，易發生起火甚至爆炸等安全問題，此外動電拆解過程中產生的廢氣、廢液和廢渣如不進行有效處理，也會對環境造成二次污染。 針對動電拆解裝備的安全與環保方面的研究已經產生了很多重要的成果積累。

孫偉浩等[15]在動電拆解設備的送料路徑上設有電壓檢測裝置如圖10 所示，淘汰放電不完全的動力電池，對從切割裝置到出料部分采用全密封設計，設有排氣口，能夠對切割粉塵以及有害氣體進行收集過濾。 該發明添加的電壓檢測裝置和廢物過濾系統提高了切割的安全性和裝備總體的無害化。

圖10 電壓檢測裝置

黃敦新等[22]設計了動電無害化拆解分離平臺，該平臺包括單體拆解系統、廢氣處理系統、安全隔離防護系統和電控制及看板系統，其中廢氣處理系統由風機轉動產生負壓，廢氣依次經過噴淋塔、光氧化劑、活性炭吸附器，安全隔離防護系統由透明玻璃墻拼接而成，操作者通過透明玻璃墻上設有屏幕顯示系統監管拆解平臺。 該發明提高了動電拆解的人員安全以及環保性能，但是對于設備安全問題沒有進行充分考慮。

余海軍等[7]通過搭建拆解平臺進行現場拆解實驗，結果表明，放電后實驗所用動力電池的電壓高達3.1V，容量仍保持534mAh。 這說明動力電池放電后的拆解過程仍然存在安全隱患，所以在拆解前的電壓檢測是十分必要的，此外實驗還表明，通入液氮的方式可以降低電池拆解過程的總體溫度，防止因高溫導致電池自燃。

2 問題分析

目前，動力電池拆解切割方式的研究成果很多，但大部分切割方式的研究成果尚停留在實體建模階段，對切割過程的理論研究和仿真分析較少，進行實體切割與真正投入生產的切割裝置很少，這就導致了我國大部分中小型企業的動力電池單體拆解還處于人工拆解階段。 同時，現有拆解切割裝置大多采用輪鋸、 帶鋸切割進行切割，該切割工具會產生大量的熱，而沒有相應的冷卻設施，且鋸切方式的切割精度差，所以開發新的切割工具是未來電池單體切割裝置的研究重點。

動力電池拆解裝備自動化程度相對較高，但智能化水平較低，智能化拆解裝備包括視視覺系統、控制系統、計算機決策系統、伺服系統、柔性切割系統、自動卸料系統等。 目前大部分自動化動力電池拆解裝備對于連續上料裝置的開發程度不夠，極少部分有電壓檢測系統，這導致設備存在一定程度的安全隱患。 此外，對于動力電池單體的拆解連續性只局限于單個的動力電池，對于多個動力電池的批量連續性拆解還沒有相關研究，目前我國的大部分拆解機缺乏穩定性與安全性的仿真和實驗，對于切割過程也缺乏沖擊仿真與切割實驗驗證，容易產生切割裝置損壞或傷人事故。

3 結論

動力電池拆解機械的研究是個復雜且繁重的綜合性工程。 我國動力電池回收利用具有廣闊的市場和前景，但是仍然面臨各種各樣的問題，需要持續不斷地研究和投入。 動力電池單體的拆解裝備包含很多部分：上料裝置、傳輸裝置、電壓檢測裝置、分選裝置、切割裝置、卸料裝置等。 今后的動力電池拆解設備會向多功能、智能化、無害化等方向發展。 未來動力電池拆解機械還需要在以下方面進一步完善。

1）研究切割方式的可行性。 由于動力電池拆解的切割方式多種多樣，其中一部分是在理想狀態的設想之下，對于實際運作過程中所產生的刀具切割變形、 夾具的夾持力等是否滿足強度以及對高循環切割次數的要求、切割之后是否能夠有效殼芯分離等都沒有進行仿真分析和實驗驗證，這會給大規模生產帶來穩定性與隱藏的安全性問題。

2）增強切割裝置的批量化切割性能。 由于動力電池報廢量的增加，對于拆解機械的批量化處理能力要求也逐漸增加，當前自動化電池拆解裝備大部分可以完成連續性切割，但是對于單次切割的批量化性能還有待提高，因此這也是一個合適的研究方向。

3）提高電池拆解裝備的智能化、自動化、安全化水平。目前對于物料智能分類的視覺識別和計算機決策系統已經很成熟了。 廢舊動力電池的上料分類也可以用智能分類系統進行判定，未來設計的智能化動力電池單體拆解機械可以在已建立的動力單體數據庫的基礎之上，利用外觀與型號檢測系統實現上料的自動分選，為提供拆解效率提供基礎。

4）設計電池單體拆解裝置的多重安全保護系統，如上料的電壓檢測、切割的密封性能檢測報警儀、有害氣體、液體、固渣收集處理系統等。 電壓檢測可以有效避免電池切割起火或爆炸危險。 密封檢測報警儀可以降低因有害氣體泄露帶來的操作人員安全健康、環境污染等問題。 卸料分類處理系統不僅可以為后續工序處理提供方便，也是安全處理必不可少的步驟。