鋰離子電池生產中的主要環境影響及污染防治

李曉玲

（深圳市立拓環?？萍加邢薰?廣東深圳 518000）

引言

長期以來，人們一直以燃油車作為主要的交通工具，極大地方便了人們的生活。但目前的研究表明，傳統燃油汽車排放的尾氣中含有一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化物、二氧化硫、顆粒物等污染物，容易造成大氣污染和“溫室效應”[1]。同時，隨著石油資源的日趨枯竭和人們的環保意識的逐漸提高，尋求清潔、高效和可持續的交通出行方式是當前的研究熱點之一[2]。

新能源汽車已成為未來汽車工業的主要發展方向之一，是應對氣候變化、實現“碳中和”的重要戰略舉措。鋰離子電池具有可充電、體積小、質量輕、能量高、循環壽命長、充電快、綠色環保等優點，是新能源汽車理想的能量載體[3]。目前，國內鋰離子電池工業發展迅速，但在制造過程會產生一定的負面環境效應，需采取有效的防治技術減輕其環境影響，促使鋰電池產業與生態環境協調發展。本文從鋰電池制造工藝及使用的原輔材料角度出發，分析其生產過程中的主要污染物及其環境影響，提出污染防治的技術要點、環境管理及監管要求，為環境管理人員提供一定的技術參考。

1 鋰離子電池的結構、主要原輔材料及潛在的環境危險性

鋰離子電池主要由正極、負極、有機電解液、隔膜、電池外殼五大部分組成，主要依靠鋰離子在正極和負極之間的移動來實現充放電。充電時，Li+從正極脫嵌，經過電解質嵌入負極，負極處于富鋰狀態；放電時，負極的鋰會失去電子成為鋰離子，通過隔膜經過電解液向正極方向遷移并進入正極材料中儲存。

鋰離子電池生產過程中的主要原輔材料包括正負極電極材料、正負極極流體、溶劑和電解液等。原輔材料的毒性及潛在的環境危害概況如下：

（1）正負極電極材料：目前正極材料主要使用鈷酸鋰（LiCoO2）、鎳酸鋰（LiNiO2）、錳酸鋰（LiMnO2）、磷酸鐵鋰以及三元材料鎳鈷錳酸鋰等。鈷、鎳錳等為重金屬，具有一定的毒性效應，可危害人體健康。負極材料一般是石墨，粉塵經呼吸道吸入會引起呼吸道疾病[4]。（2）正負極集流體：正極一般使用鋁箔，負極一般使用銅箔，為金屬材料，廢邊角料具有資源回收價值，但若管理不善進入自然環境，對環境也有一定影響。（3）溶劑：正負極材料制漿過程，需加入溶劑溶解正負極材料。正極主要使用N-甲基吡咯烷酮（NMP），屬于揮發性有機物，微毒；負極使用純水，無毒。（4）電解液：電解液在電池中起到傳輸離子的作用，由有機溶劑和鋰鹽電解質組成。有機溶劑一般為有機碳酸酯類物質，包括碳酸二甲酯、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸甲乙酯等，為易燃揮發性有機物。鋰鹽主要為六氟磷酸鋰，遇水則分解生成氟化氫（HF），有腐蝕和毒害作用，對眼睛、皮膚、肺部等有侵蝕作用。（5）其他：外殼、隔膜、粘結劑等。原材料為金屬、塑料、高聚性材料等，在生產過程中必須注意一般工業固體廢物的規范化處理處置。

因此，在鋰離子電池制造過程應重點關注正負極材料、NMP 及電解液產生的環境污染問題，并做好揮發性有機物的回收及處理。其中，含銅、鋁等廢棄物的處理應嚴格執行相關環保要求。

2 主要污染物排放及環境影響

鋰離子電池的生產工藝大體一致，主要包括電極極片制作、電芯裝配、模組組裝等工序，且生產過程中將會產生一定的廢氣、廢水、噪聲及固體廢物。生產過程中的大氣污染物主要為顆粒物，系正負極制漿配料產生含有炭黑、鈷、鎳、錳等重金屬元素的粉塵。研究表明，顆粒物對可見光有很強的散射作用，從而降低大氣能見度，引發城市霧霾天氣。人體長期吸入高濃度的有毒重金屬顆粒物，也會引發呼吸道疾病。涂布烘干、注液、預封、Degas 排氣及二封等過程將產生揮發性有機物（VOCs）（含NMP 的有機廢氣以及可能含氟化氫的電解液揮發有機廢氣）。VOCs 是形成細顆粒物（PM2.5）、臭氧（O3）等大氣二次污染物的重要前體物，可引發光化學煙霧等大氣環境問題。同時，排氣、二封工序將產生少量氟化氫（HF）。氟化氫易溶于水形成氫氟酸，對水體造成污染，同時，氟化氫具有刺激性、腐蝕性的有毒氣體，污染大氣環境并會刺激呼吸道粘膜和皮膚，危害人類健康。此外，廢水處理過程會產生惡臭廢氣，刺激人體嗅覺器官。生產過程中的廢水主要來源于正負極制漿及涂布設備清洗等產生的清洗廢水，具有低pH、高化學需氧量（CODCr）、高懸浮物（SS）和高氨氮（NH3-N）、鎳（Ni）、鈷（Co）、錳（Mn）等特征。含鎳（Ni）、鈷（Co）等重金屬污染物的廢水的直接排放將對廠區周圍水環境產生較大影響，且底泥及水生動植物體內的鎳會不斷積累最終進入食物鏈，影響人類健康，嚴重時會造成鎳中毒，具有致癌和對生殖系統的潛在危害[5]。生產設備、公輔設備如冷卻塔、水泵、風機等的運行會產生噪聲污染，影響敏感點的聲環境質量。研究表明，噪聲污染對人體的危害是多方面的，能對聽覺系統和非聽覺系統產生不良影響，干擾休息和睡眠，降低工作效率。同時，噪聲污染會影響心血管及中樞神經系統的健康，引發頭暈、頭痛、心慌、記憶力減退等癥狀，嚴重者可產生精神錯亂[6]。生產過程中產生的固體廢物主要包括一般固體廢物和危險廢物。一般固體廢物主要有廢鋁箔、銅箔、廢隔膜等，而危險廢物主要有在注液和電解液貯存過程中產生的廢電解液及電解液包裝桶等。一般固體廢物若不進行資源化回收利用，將會造成資源浪費，同時污染周圍環境，危險廢物若不妥善收集和處理將會造成嚴重的環境污染。

3 污染防治技術要點

3.1 廢氣污染防治技術要點

除塵是治理粉塵污染的有效措施，主要依托除塵器等設備實現。除塵器除塵效率較高，主要有機械式除塵器（如重力沉降室、慣性除塵器、旋風除塵器）、濕式除塵器（噴淋塔、填料塔等）、袋式除塵器（如脈沖布袋除塵器等）和靜電除塵器等。鋰離子電池生產過程中需將固體粉狀物料加入制漿系統進行攪拌制漿，會產生含有正極或負極電極材料的配料粉塵，主要為含炭黑、鈷、鎳、錳等重金屬元素的顆粒物。一般設置密閉微負壓制漿車間，粉塵經收集后進入濕式除塵器（噴淋塔、填料塔等）或者高效過濾網除塵后高空排放，可有效降低粉塵中顆粒物的排放濃度和速率，降低對周邊的環境影響程度及范圍。

生產過程產生的有機廢氣，研究表明，國內揮發性有機廢氣污染防治末端治理技術主要有回收利用技術和銷毀技術。常用的回收利用技術有冷凝法、吸收法、吸附法、膜分離法；常用的銷毀技術熱力燃燒法、催化燃燒法、生物降解法、UV 光催化降解法、低溫等離子體技術法。冷凝法是使廢氣降溫至VOCs 成分的露點之下，使其冷凝為液態后加以回收的方法，多適用于高濃度、成分單一且有回收利用價值的VOCs 處理。吸附（收）技術是利用吸附（收）劑與污染物質VOCs 進行物理結合或化學反應將污染物去除，如活性炭吸附、雙氧水化學洗滌等，適用于中低濃度VOCs 廢氣凈化。NMP作為鋰離子電池生產制漿過程一種重要溶劑，具有回收利用價值，宜采用回收法如冷凝法技術處理其產生的含NMP 有機廢氣。含氟化氫的電解液揮發有機廢氣等，可采用堿液噴淋+活性炭吸附、雙氧水化學洗滌等措施控制此類污染物的排放。實際生產中可根據有機廢氣特點，采用回收利用技術與銷毀技術結合的處理技術、多級處理技術等。如UV 光催化降解法+活性炭吸附法、冷凝法+活性炭吸附法等，使生產過程中的有機廢氣、氟化氫廢氣等得到有效處理并達標排放。

污水處理站處理污水過程還會產生少量惡臭廢氣，主要污染因子為硫化氫、氨、臭氣濃度。惡臭廢氣處理技術主要有三類：一是物理方法，主要有水洗法、物理吸附法、稀釋和掩蔽法；二是化學方法，主要有藥液吸收（氧化吸收、酸堿液吸收）法、化學吸附（離子交換樹脂、堿性氣體吸附劑和酸性氣體吸附劑）法等；三是生物學方法，主要有生物滴慮、生物過濾和生物吸收法。一般情況下污水處理站惡臭廢氣產生量較小，經采取密閉負壓收集，聯合除臭如化學藥液吸收+生物滴慮+活性炭吸附工藝處理后，惡臭廢氣可達標排放，對周圍環境影響不大。

3.2 廢水污染防治技術要點分析

鋰離子電池生產過程會產生設備清洗廢水。正極設備清洗與采用的清洗介質有關。若采用純水清洗，則廢水中主要污染物為pH、COD、SS、NH3-N、Ni（鎳）、Co（鈷）、Mn（錳）等，為含Ni、Co、Mn 等重金屬的廢水，負極設備清洗廢水主要污染物為pH、COD、SS、NH3-N等。磷酸鐵鋰動力鋰離子電池生產過程設備清洗廢水不含重金屬。研究表明，常見廢水處理技術有物理法、化學法、物理化學法、生物法等。相關企業在生產中，需根據廢水特性，當地環保要求等選擇適當處理技術，使廢水處理達到 《電池工業污染物排放標準》（GB30484-2013）相關標準限值后達標排放。若正極采用NMP 清洗，則產生含NMP 的有機清洗廢水，可作為危險廢物按照 《危險廢物貯存污染控制標準》（GB18597-2001）及其修改單的有關規定收集、貯存后，委托有相應處理資質的單位拉運處理。

3.3 噪聲污染防治措施分析

生產設備如攪拌機、涂布機、輥壓機及公輔設備如冷卻塔、水泵、風機等運行會產生噪聲，噪聲超標排放可能會影響周圍聲環境質量，危害人體健康。

企業生產車間宜合理布局，靜鬧分開，高噪聲設備遠離辦公生活區、敏感目標而布設。高噪聲設備如水泵、備用柴油發電機等盡量安裝專用隔聲房內，并安裝減振墊、消聲器等。冷卻塔腳座與地面之間安裝減振器，受水盤水面鋪設多孔泡沫塑料墊等。

3.4 固體廢物污染防治措施分析

固體廢物污染防治需要嚴格落實《中華人民共和國固體廢物污染環境防治法》（2020 年9 月1 日起施行）的各項要求。需設置符合要求的一般固體廢物暫存間，經分類收集暫存后，外售有資質的資源利用單位回收利用。企業應制定危險廢物管理計劃，建立危險廢物管理臺賬，如實記錄有關信息，并通過國家危險廢物信息管理系統向所在地生態環境主管部門申報危險廢物的種類、產生量、流向、貯存、處置等資料。同時配套建設符合《危險廢物貯存污染控制標準》（GB18597-2001）及“2013 年6 月修訂單”相關要求的危險廢物暫存間，危險廢物分類收集并暫存后，委托有危險廢物處理資質的單位拉運處理，并按照有關規定填寫、運行危險廢物電子或者紙質轉移聯單。

4 環境管理及監管要求

企業應建立、健全環境管理制度，履行各項環保手續，采用先進適用的污染防治技術，使鋰離子電池制造過程中的各類環境影響得到有效控制。

環境管理人員可核查企業各項環境管理制度的落實情況，環境管理機構、人員、應急物資的配置情況；是否進行了環境影響評價；是否建設了對應的污染防治措施且進行了竣工環境保護驗收；是否制定了突發環境事件應急預案并演練；是否取得排污許可證并定期提交排污許可執行報告；是否按照要求進行了自行監測，污染物排放是否超標、超總量；對于企業主要廢氣和廢水排放口，可安裝在線監測裝置并與主管部門聯網。必要時可進行監督性檢測，對周圍敏感目標進行民意調查，以便監督和督促企業有效落實各項污染防治措施，進一步降低鋰離子電池制造過程中的環境影響。

結語

在鋰離子電池制造過程中，使用電極材料、電解液與溶劑NMP 等，可能會給鋰離子電池制造企業周邊的大氣環境和水環境等造成鎳、鈷、錳重金屬污染、氟污染，加重大氣環境的揮發性有機物污染，同時還會產生噪聲及少量固體廢物，若不能得到有效處理，將損害人類賴以生存的生態環境，最終危害人體健康。但相較于傳統鎳氫、鎳鎘電池以及鉛酸電池，其生產過程中不需添加鎘、鉛等物質，鋰離子電池相對更加環保。為實現“碳中和”宏大目標，發展和推廣鋰離子電池在新能源汽車中的應用是不可或缺的版塊，因此，須采取有效的污染防治技術控制、減輕鋰離子電池制造過程中的各類環境影響，促使鋰電池產業與生態環境協調發展。