鋰離子電池生產中的環境影響及污染防治

盧海勇 石清俠 吳 瑋 蔣建勇

（1 浙江瑞陽環保科技有限公司 浙江杭州 310000 2 浙江博越環境科技有限公司 浙江溫州 325000 3 杭州環科環保咨詢有限公司 浙江杭州 310000 4 天能控股集團有限公司 浙江湖州 313100）

引言

在現代社會中，燃油車輛是人們經常使用的交通工具，為人們的生活提供了極大的便利。相關科學研究結果表明，傳統燃油車在行駛過程中排放的尾氣會帶有較多的一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化物等物質，這些物質都很容易造成大氣污染現象，也是溫室效應發生的罪魁禍首之一。在世界范圍內化石能源儲備數量逐漸接近警戒線的背景下，可持續、高效、清潔的交通方式已經成為了人們關注的核心。如今，新能源汽車已經成為汽車工業發展的主要方向，這也是我國達成雙碳目標、有效應對氣候環境負向變化的重要方法途徑。

鋰離子電池因為在體積、重量、能量等方面有著明顯的優勢，成為我國新能源汽車發展過程中十分理想的能量供應載體。在我國政府部門大力支持新能源汽車發展的背景下，鋰離子電池生產工業發展十分迅速，但在具體的生產過程中，所用的各項原材料以及生產工藝通常會帶來一定數量的廢氣、廢水和固體廢棄物。如不經過處理即排放，會對附近的生態環境產生十分明顯的負面影響，完全違背了我國可持續發展以及生態環境保護戰略的要求。

故此，本文通過研究分析鋰離子電池生產過程中的環境污染現象以及具體的防治對策，為鋰離子電池的環保化生產及應用提供參考。

1 鋰離子電池概述

1.1 基本結構

鋰元素是所有金屬元素中質量最輕的，并且在氧化還原性方面也具有明顯的優勢，是電池制造過程中應用性能較為優秀的負極材料。一般的鋰離子電池將鋰金屬元素作為負極材料，二氧化錳或者是二硫化鐵則是作為鋰離子電池的正極材料。目前以我國鋰離子電池生產工業的持續發展狀況看來，具體的組成結構包括正極的富鋰化合物、負極的可脫嵌活性材料（一般這類活性材料以石墨為主）、隔膜、電解液以及電池外殼等[1]。

1.2 電池組成分析

對于鋰離子電池使用而言，電極材料、電解液會對電池的性能產生最為直接的影響。從某種程度上看，鋰離子電池生產制造中所用的電極和電極材料對于鋰離子電池的能量供給、使用壽命以及循環次數等都會產生明顯的影響。總體而言，鋰離子電池的重要組成部分可以分為正負極材料和電解液兩部分。

在鋰離子電池生產制造的過程中，正極材料是整個鋰離子電池形成能量、使用壽命和投入成本等方面優勢的重要因素，用于鋰離子電池生產的正極材料最為理想的狀態是有著較高的脫嵌鋰電位，這意味著電池在運轉過程中的工作電壓水平較高。同時，狀態最為理想的正極材料需要有著較高的脫嵌鋰容量以及結構穩定性，并且能夠在電池運轉的過程中生成良好的可逆轉性。在鋰離子電池充放電過程中，正極材料需要避免和電解液產生化學反應[2]。

自鋰離子電池問世以來，負極材料的生產制造，先是使用了金屬鋰，后來鋁合金成為主要的負極材料，隨后又先后經過了碳材料、氧化物以及新型納米合金材料的發展階段。用于鋰離子電池生產的負極材料同樣需要有較低的脫嵌鋰電位數值，且要保持平穩的運轉狀態。它還需要有較高的比容量，在運轉過程中也需要與電解液不發生任何反應，具備靈活性方面的優勢，并且要最大程度地降低鋰離子電池生產制造的成本投入。以當下材料學科的發展情況看來，用于鋰離子生產制造的負極材料大致可以分為碳負極材料、錫合金負極材料、納米級金屬氧化物負極材料以及硅負極材料四種。

作為鋰離子電池重要組成部分之一的電解液，能夠在正負極之間發揮傳導作用，其性能水平以及與正負極的接觸狀況，從某種程度上看，會對鋰離子電池的性能水平產生最為直接的影響[3]。一個狀態十分優良的鋰離子電池，其內部的電解液需要具備良好的化學穩定性，并避免和正負極中的各類活性物質產生化學反應。同時電解液需要有較高的鋰離子電導率和成膜特性，以提高負極材料表面鈍化膜的穩定性。

1.3 基本工作原理

實際上，鋰離子電池的正負極使用了能夠進行逆嵌脫鋰離子的插層化合物。在鋰離子脫出和嵌入的過程中提供了相應的通道。鋰離子電池在充電狀態時，正極處于負鋰狀態，從其脫出的鋰離子可以借助電解液逐漸嵌入到電池負極的晶格內部，隨后電子可以在接通外部電流的影響下逐漸進入電池的負極。在這種情況下，電池的正極會從之前的負鋰狀態轉變為電位數值較高的貧鋰狀態，而負極則是處于一種電位數值較低的負鋰狀態。鋰電池的放電過程則是完全相反，鋰離子會從電池負極的負鋰狀態中逐漸擺脫出來，隨后透過隔膜逐漸嵌入到處于貧鋰狀態的電池正極，正極電子同樣可以從接通狀態的外部電流逐漸流入電池正極。以電荷守恒定律的相關知識來看，在鋰離子電池充放電的過程中，等量電子傳遞是一種十分常見的現象，正負極材料能夠產生較為明顯的氧化還原反應[4]。因為鋰離子和電子在電池充放電的過程中，處于一種正負極循環往復嵌入和脫嵌狀態，從某種程度上看，這種充放電模式也被人們稱為是搖椅式充放電工作模式。鋰離子電池這種最為傳統的充放電模式，能夠有效地解決電池循環使用的壽命問題，在電池容量和電壓方面也有著明顯的優勢，已經成為未來經濟社會發展過程中較為理想的輕質量動力裝置。

2 鋰離子電池生產中的污染物及其環境污染現象分析

目前我國鋰離子電池行業的生產工藝水平和流程基本一致，生產的工序可以分為制作電極片、裝配電芯以及模組組裝等。廢氣、廢水、噪聲和固體廢棄物是鋰離子電池生產過程中最為常見的副產物。在離子電池生產的過程中顆粒物是大氣污染物的主要部分。在鋰離子電池正負極的制漿配料過程中，會出現碳黑、鈷、鎳、錳這類重金屬元素的粉塵物質，這些顆粒物在可見光狀態下有著明顯的散射作用，尤其是排放到大氣環境中之后，附近區域的大氣能見度數值會明顯下降，這也是霧霾天氣出現的主要原因之一[5]。這些濃度較高的包括重金屬顆粒物的粉塵污染物長期存在于大氣環境中，會通過人體的呼吸系統逐漸在肺部積累。當這些重金屬元素積累到一定數量時，很容易引發呼吸道疾病。而在鋰離子電池生產的過程中，涂布烘干、注液這些生產環節會產生一定數量的揮發性有機物，其中包括NMP 在內的有機廢氣、氟化氫電解質揮發有機廢氣。這類在鋰離子電池生產過程中出現的揮發性有機物同樣也是細顆粒物、臭氧這類二次污染物形成的重要前提條件，排放到大氣環境之后，可能會引發光化學煙霧等污染。

同時，在鋰離子電池生產制造的過程中，排氣和二封這類生產工序會產生一定數量的氟化氫氣體，這類氣體易溶于水，并且很容易形成氫氟酸，在未經處理排放到大氣環境之后很容易在自然水體中產生一定數量的氫氟酸物質，從而帶來嚴重的水體污染。同時，氟化氫作為氣體也有著明顯的刺激性和腐蝕性，是一種有毒氣體，在對大氣環境產生污染的同時，會隨著人體的呼吸進入呼吸器官中，從而對呼吸道黏膜和皮膚產生刺激，直接威脅到人們的健康[6]。

鋰離子電池的生產企業在處理其廢水的過程中，也會產生帶有惡臭氣味的氣體，給人們的嗅覺器官造成直接的危害。鋰離子電池生產過程中的廢水一般來自涂布設備的清洗或者是鋰離子正負極的制漿工序，這類清洗廢水不僅pH 數值較低，且擁有較高的化學需氧量以及懸浮物含量，其中的鎳、鈷、錳等金屬元素的含量明顯較高，這類包含重金屬元素的廢水如果在未經過妥善處理的情況下直接排放到自然水體，會對周邊的生態環境產生影響。水域中的底泥以及水生動植物體內的重金屬元素將會不斷積累，在生物鏈的影響下，最終在人體的各器官不斷累積，從而威脅到人們的身體健康，在累積嚴重的情況下，很容易令人產生重金屬中毒現象。

冷卻塔、水泵和風機都是鋰離子電池生產過程中不可或缺的重要設備，但在具體運轉時卻很容易產生噪聲污染，對于環境敏感性較高區域的聲環境質量必然會產生明顯的影響。噪聲污染能夠對人體的聽覺以及其他非聽覺系統產生明顯的影響，在影響到人們正常休息和睡眠的同時，還會令其工作效率下降。此外，噪聲污染對于人們的心血管和中樞神經系統健康也會產生明顯的影響，頭痛、頭暈、心慌、記憶力減退這類癥狀十分常見，如果人們長時間受到噪聲污染，精神錯亂的發生概率也會明顯增加。

鋰離子電池生產過程中產生的固體廢棄物可以細分為一般固體廢棄物和危險固體廢棄物，前者以廢隔膜、銅箔和廢鋁箔這類物質為主，后者則是包括了在電解質注液和儲存過程中產生的廢電解液以及電解液包裝桶。一般類型的固體廢物在不進行二次資源回收的情況下帶來的結果是資源浪費，而危險廢物如果未能妥善地進行收集和處理，造成的環境污染現象將會十分嚴重。

3 鋰離子電池生產中的污染物防治工作對策

3.1 生產廢氣的積極防治

在鋰離子電池生產的過程中，粉塵污染現象的處理需要生產企業合理地引進除塵設備，除塵器以機械式、袋式、濕式以及靜電除塵器四類為主，這些除塵器在粉塵污染處理中有著良好的除塵效率以及質量。企業生產鋰離子電池的過程中，固體粉狀物質需要適當加入制漿系統中進行全方位攪拌，這會帶來包括正極和負極材料的各種粉塵物質，以鈷、鎳、錳等重金屬元素的顆粒污染物為主[7]。在具體的生產環節中，生產企業會設置密閉的微負壓狀態制漿車間，將粉塵收集之后，使用濕式除塵器或者高效過濾網，完成除塵處理并向高空進行排放，這樣粉塵中金屬元素顆粒物的排放濃度和速率能夠明顯下降，并可盡量避免對周邊大氣環境產生的負面影響。

廢氣是鋰離子電池生產過程中最為常見的污染物，就目前我國環境污染處理技術的發展看來，冷凝法、吸收法、吸附法是最為常見的回收處理方法，銷毀技術以熱力燃燒法和催化燃燒法等為主。在使用冷凝法進行廢氣處理工作時，一般會預先進行廢氣的降溫處理，保障廢氣能夠降低到露點之下，促進廢氣的液態轉化，之后可以實施二次回收，其在那些濃度較高、組成成分單一，具備一定回收價值的廢氣處理中有著十分廣泛的應用。吸附處理技術則是利用吸附劑與廢氣污染物質進行全方位結合，在二者發生化學反應的前提下，去除其中的污染物，其在那些濃度中等的廢氣凈化中有著十分廣泛的應用。在鋰離子電池生產制造的過程中，制漿環節不可或缺的重要生產溶劑就是NMP，其回收利用價值較高，在具體回收處理的過程中需要使用冷凝法對于包含NMP 的有機廢氣進行全方位處理。在電解液中包含一定數量氟化氫的前提下，產生的有機廢氣可以使用堿液噴淋以及活性炭吸附的方法進行處理，以對于這類污染物的數量合理管控，避免其對大氣環境產生負面影響。

污水作為鋰離子電池生產過程中常見的污染物，在其吸附處理的過程中也會產生一定數量的惡臭廢氣，組成物質主要以硫化氫、銨為主。對于這類氣體的處理，可以使用物理化學或者是生物學方法，總體看來，因為污水處理場所內部的惡臭廢氣數量相對較少，一般可以選擇密閉負壓收集、處理的方法，使用化學藥液吸收以及生物滴濾等進行綜合處理之后，惡臭廢氣的排放量基本能夠符合國家相關標準的要求，對于周邊環境的影響也會降到最低。

3.2 生產廢水的積極防治

設備清洗是鋰離子電池生產過程中廢水的主要來源。鋰離子電池的正極設備在清洗過程中產生的廢水種類與清洗使用的介質有著密切的聯系。如果相關人員使用純水清洗正極設備，則pH、COD、SS 等指標將是污染物的主要檢測項目，并且其中的重金屬元素含量較高。而部分磷酸鐵鋰動力鋰離子電池在生產的過程中，即便經過設備清洗之后，其中的廢水產物也會包括重金屬元素。以目前國內廢棄物污染處理技術的發展看來，在鋰離子生產廢水處理的過程中，物理法、化學法、生物法等技術應用相對普遍，需要在鋰離子電池持續生產的過程中，綜合考慮廢水的具體特性以及當地環保標準的要求，恰當選擇處理技術，保障經過處理之后的廢水各項指標能夠全方位滿足排放標準的需求。如果用于鋰電池生產的正極設備選擇使用NMP 進行清洗，則其中包含NMP 的這類有機廢水，需要嚴格按照危險廢物管理標準進行全方位收集和處理之后，委托具備資質的單位進一步處理。

3.3 生產固廢及噪聲的防治

在鋰離子電池生產制造的過程中，會產生各種固體廢氣污染物，其防治工作需要嚴格遵照我國現行的法律法規。

一般固體廢棄物在經過全方位的分類收集以及暫存處理之后，會請第三方有處理能力及資質的資源利用單位進行二次回收利用。而對于生產過程中產生的各種危險廢物，需要企業形成完善的管理工作制度，建立對應的臺賬，將危險廢物產生的數量、類型等相關信息進行記錄，嚴格通過國家統一的危險廢棄物信息管理系統，將相關信息及時向當地的生態環境主管部門進行申報。危險廢棄物在處理的過程中，同樣需要由企業設置符合標準要求的暫存空間，在達到一定數量之后，委托第三方專業機構進行處理，并嚴格按照相關要求填寫對應的信息。

在鋰離子電池生產制造的過程中，攪拌設備、涂布設備以及冷卻塔、水泵、風機這類都是不可或缺的重要生產設備，但這些設備在生產過程中會產生較大的噪聲，如果這些噪聲數值超過國家的標準要求，附近居民長時間處于噪聲的影響下，身體健康會出現明顯問題。企業為了對鋰離子電池生產過程中的噪聲污染及時進行管控，需要根據附近環境對生產車間進行科學布局，始終保持動靜分離，將那些噪聲相對較高的設備設置在遠離辦公生活區的地方，水泵和備用柴油發電機等需要放置在專業的隔聲房內，保證在鋰離子電池生產的過程中，各項噪聲數值能夠控制在合理范圍內。

結語

鋰離子電池是當下智能手機、筆記本電腦以及新能源汽車的主要能源供應裝置，在其生產的過程中，廢氣、廢水、噪聲以及固體廢棄物都是十分常見的污染物，在未經過妥善處理的情況下，會帶來較為嚴重的生態環境污染問題，這也完全違背了我國生態環境保護的基本國策。生產企業需要嚴格遵照我國有關鋰離子電池生產污染防治的具體工作要求，針對生產廢氣、廢水、固體廢棄物和噪聲污染進行處理，在保證鋰離子電池產品質量的同時，最大程度地降低對生態環境造成的負面影響。