動力電池電芯破碎試驗研究①

盧世杰，周宏喜，郎平振，蘇 勇

（1.北礦機電科技有限責任公司，北京 100160；2.礦冶科技集團有限公司，北京 100160）

2020年新能源汽車動力電池迎來首批退役潮，廢舊動力電池中含有鎳、鈷、錳、鋰等稀缺礦產資源，極具經濟價值。回收利用廢舊電池不僅可以實現資源循環再生，還可以避免環境污染。退役動力電池最終都要報廢拆解，通常采用精細拆分或直接破碎分選法得到正極粉料或正負極粉料，再經冶金處理得到鎳、鈷和鋰等有價金屬，實現動力電池資源的綜合循環利用［1－2］。為了實現電芯高效解離，本文探究了破碎裝置的合適參數，為后續深度分選提供依據。

1 破碎機理

1.1 破碎方法

常用的機械破碎方法有擠壓破碎、研磨破碎、沖擊破碎和剪切破碎等。根據被破碎物料的硬度、強度和黏結性以及物料的給料、排料粒度來選擇合適的破碎方法及裝置。動力電池電芯主要由鋁殼、正極片、負極片、隔膜和塑料等構成，主要組分結合方式有壓合與黏合2種，如外殼、極柱和隔膜等材料間靠壓力壓合在一起，材料間不存在分子作用力；而正極材料與鋁箔，負極材料與銅箔間通過黏結劑黏合，結合牢固，分子間存在作用力。壓合方式的物料間通過破壞其結構可實現完全解離，而黏合方式的物料則因黏結劑的存在不易通過破碎方式完全解離［3］。

1.2 關鍵因素分析

電芯的主要組分為非脆性物料，韌性較強，宜用剪切方式實現物料解離，破碎效果與物料大小，刀具形式、刀具數量、轉子轉速、動刀與定刀間隙等密切相關，其中刀具形式、轉速及動刀與定刀間隙3個因素對碎后產品的形狀和粒度影響較為顯著。破碎效果可通過產品形狀和粒度大小來表征，形狀越規則、變形越少、產品粒度越小，則尺寸切割數越大，破碎效果越好。尺寸切割數計算式為［4］：

式中Ls為尺寸切割數，表明剪切破碎效果的參數，其值越高則剪切效果越好；Z1為轉子上的動刀數；Z2為破碎機中定刀數；L為刀片長度；n為轉速；a為設備參數（由工況確定）。

由式（1）可知，定刀和動刀數量越多，尺寸切割數越大，即產品粒度越小；刀片長度越長，即刀具切割面越長，產品剪切效果越好，粒度越小；設備轉速越大，尺寸切割數多，產品粒度越小。剪切破碎效果與刀具數量、轉子轉速、切割面長度成正相關。

1.2.1 刀具形式分析

3種常見刀具的截面圖見圖1。

圖1 3種刀具的截面圖

矩形刀的切割面為3個，剪切過程中矩形刀同時在軸向和垂直于軸向的側面對物料施加剪切力，使物料表面產生3處裂紋，且側向裂紋與軸向裂紋呈90°夾角。鋸齒刀的切割面為2個，鋸齒刀在兩個方向上施加剪切力，使物料表面產生2處裂紋。V型刀的切割面為1個，僅使物料表面產生1處軸向裂紋。在切割面長度L一定時，被剪切物表面產生的裂紋數越多，物料斷裂越快，剪切效果越好。刀具的剪切長度也不同，大小順序為：矩形刀＞鋸齒刀＞V型刀。

1.2.2 轉子轉速分析

轉子轉速越高，動刀剪切速度越大，刀尖處摩擦減小，剪切過程中物料的塑性變形減小，使得刀具和電芯間的側向擠壓力減小，合成擠壓力的方向更接近動刀的運動方向，物料內產生的裂紋以滑移型裂紋為主，切割面形狀平整光滑，變形少，剪切斷面質量顯著提高。由式（1）可知，轉子轉速越高，物料尺寸切割數越大，剪切后物料粒度越小，剪切效果越好。但轉子轉速越大，設備功耗越大，對轉子的動平衡性要求越高。反之，轉速越小，易導致被剪切物發生變形，剪切效果差。因此，轉子轉速以產生的切應力稍高于電芯物料的抗剪強度為宜［5－6］。

1.2.3 動刀與定刀間隙分析

物料剪切過程中旋轉剪切示意圖見圖2。

圖2 旋轉剪切示意圖

剪切力計算公式［12－13］為：

式中P為剪切力，N；b為物料寬度，mm；h為物料厚度，mm；τ為物料抗剪強度，MPa；α為物料剪切過程中的最終轉角；g為動刀與定刀間隙，mm；m＝g／h，為相對間隙。

由式（2）可知，剪切力主要與電芯物料尺寸、抗剪強度、動刀與定刀間隙有關，動刀與定刀間隙是影響剪切效果的重要因素，同時也關系到剪切力的大小和刀具的使用壽命。刀具剪切過程由壓入變形和剪切滑移兩個階段組成，調整動刀與定刀間隙可使剪切力發生變化。當間隙由0逐漸增大時，被剪物料依次發生壓縮→剪切→彎曲等變化，剪切力將由大→小→大，間隙過小或過大都會使剪切力增加。合適的間隙是刀具能夠正常剪切并得到形狀規則物料的關鍵。間隙過大時，刀具對物料產生的彎矩過大，產生的裂紋會出現錯位，不重合，斷裂面不平整，物料被拉斷，甚至擠壓變形，剪切效果差。而切割間隙過小時，產生的剪切力增大，剪切效果變好，設備負載增加，刀具磨損加劇，刃口可能出現崩刃現象［7－8］。

2 破碎試驗裝置

圖3為試驗用破碎裝置，主要由給料器、破碎腔、傳動系統、錐形下料斗、支架及風機組成。破碎腔由轉子（安裝動刀）、定刀和篩網等組成。因電芯物料適合剪切破碎，本文設計了3種刀型的轉子（如圖1所示）。試驗采用方形鋁殼三元電池單體，尺寸148 mm×91 mm×27 mm。

圖3 電芯破碎裝置

3 破碎試驗

3.1 不同刀型轉子破碎試驗

鋸齒刀、矩形刀和V型刀3種刀型轉子分別在轉速50 Hz＠768 r／min、動刀與定刀間隙2 mm條件下進行電芯破碎，3種刀型轉子多次開路破碎后－19 mm粒級新增率見表1。

表1 鋸齒刀、矩形刀和V型刀多次破碎試驗數據

鋸齒刀轉子5次開路破碎后產品形狀不規則，鋁殼出現明顯的擠壓變形，物料間存在折疊和夾帶現象。矩形刀的破碎效果優于鋸齒刀，－19 mm粒級新增率高6.3個百分點，且矩形刀的破碎產品中幾乎沒有成沓物料，破碎后鋁殼沒有變形，更利于后續分選。V型刀破碎后產品表面擠壓變形更少，更利于后續分選，但一次破碎后的產品中大塊較多。4次開路破碎后V型刀比鋸齒刀破碎產品中－19 mm粒級新增率低10.48個百分點，效果很差。

綜合對比3種不同刀型的轉子，矩形刀的破碎產品中－19 mm粒級新增率最高，破碎效果最好。

電芯破碎實現物料間解離是后續高效分選的前提，若破碎產品尤其是鋁殼的擠壓變形小、形狀規則，則鋁殼夾帶極片、隔膜的概率越低；產品中－19 mm粒級新增率高，則物料解離充分，越利于后續分選和細碎。

3.2 不同轉速破碎試驗

使用矩形刀轉子、動刀和定刀間隙2 mm條件下，考察轉速對破碎產品－19 mm粒級新增率的影響。每次破碎4塊電芯，分別完成5次開路試驗，結果如表2所示。

表2 不同轉速下破碎產品－19 mm粒級新增率

由表2可知，在轉速653 r／min條件下－19 mm粒級新增率最高，達到86.3%；當破碎機轉速較小時，破碎產品中－19 mm粒級新增率較低，破碎產品中鋁殼擠壓變形明顯增多，正負極片夾帶隔膜現象也突出，因此對電芯進行剪切破碎時需要一定的剪切速度。

3.3 不同動刀與定刀間隙破碎試驗

使用矩形刀轉子、轉速653 r／min條件下進行5次開路試驗，動刀與定刀間隙對破碎產品－19 mm粒級新增率的影響如表3所示。

表3 不同間隙下破碎產品－19 mm粒級新增率

由表3可知，當破碎機動刀與定刀間隙1 mm時，產品中－19 mm粒級新增率最高，達到90.5%；間隙增大時，破碎后產品中－19 mm粒級新增率呈下降趨勢，而且電芯鋁殼被擠壓變形增多，這與理論分析結果一致。

3.4 綜合試驗

由上述試驗結果可知，動力電池電芯用破碎裝置宜采用矩形刀轉子，轉子轉速653 r／min，轉子動刀與定刀間隙1 mm，此時電芯破碎后產品中－19 mm粒級新增率可達90.5%，且物料解離充分，更利于物料高效分選。

4 結 論

1）根據電芯特性，宜剪切破碎處理，通過理論分析和試驗研究了破碎機轉子刀型、轉速、動刀與定刀間隙等關鍵因素對電芯破碎效果的影響。

2）矩形刀、鋸齒刀、V型刀3種刀型轉子中，矩形刀轉子破碎后產品形狀規則，擠壓變形少，粒度更細，破碎效率高，產品中少有折疊和擠壓現象，易于后續分選。

3）矩形刀轉子在轉速653 r／min、動刀與定刀間隙1 mm條件下，破碎產品中－19 mm粒級新增率達到90.5%，破碎產品變形較少，剪切效果較好。