新能源動力電池回收裝置的設計與優化研究

關鍵詞：動力電池回收；材料分離；粉碎機構；磁性分離；資源再利用中圖分類號：U469.7 收稿日期：2025-06-30 DOI： 10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.08.028

Research on Design and Optimization of the Recycling Device for New Energy Power Batteries

Yang Jinguangl Li Jiel Ran Qin2Kong Zuojun' 1.Qiannan Minzu Polytechnic，Duyun 558oo2，China 2.Guizhou University，Guiyang 55o0oo，China

Abstract：Withtherapiddevelopmentofthenewenergyvehicle industry，theissueofpowerbateryrecycling has become creasinglyprominent.Thispaperdesignsanewtypeofrecyclingdevicefornewenergypowerbateries.Byintegrating multiple functional modulessuchasonveing，crusing，andseparatio，itacheesefcientrecyingandmaterallassificationofusedporteries. Thedevicecombinesathe-stagecrushingmechanismwithmageticseparationtechnology，fectivelyseparatingmetalando-met al materials in the batteries，with a recycling efficiency of over 95% . Experimental results show that compared with traditional recycling devices，hisdsignassignificantimprovementsinprocessingcapacityaterialsparatioaccuracyndenergyosumtioItan process 200kg ofusedbatteriesperhour，withametal material recoverypurityof 98% ，providingan efficient solution forthepower battery recycling industry.

Key words：Power batery recycling;Materialseparation;Crushing mechanism;Magnetic separation;Resource reuse

1前言

全球新能源汽車銷量從2015年的54萬輛增長至2022年的1082萬輛，年復合增長率達 53% 。隨著電動汽車的普及，動力電池退役量呈現爆發式增長，預計到2030年全球退役動力電池將超過1000萬t[1]。動力電池中含有鋰、鈷、鎳等有價金屬和有毒電解質，若處理不當將造成嚴重的資源浪費和環境污染[2]。因此，開發高效、環保的動力電池回收技術具有重要意義。

本文提出了一種機械物理法回收裝置，通過創新設計的聯動式粉碎機構和多級分離系統，實現了對動力電池的高效拆解和材料分類。該裝置具有處理能力強、分離效率高、環境污染小等特點，為動力電池回收提供了新的技術路徑。

2新能源動力電池回收裝置國內外現狀分析

我國動力電池回收技術快速發展，形成機械物理法、濕法冶金和火法冶金三大路線[3]。清華大學開發多級破碎分選系統，銅鋁回收純度超 95% ；中南大學創新混合浸出技術，鋰浸出率達 98% ；華友鉆業視覺識別系統分類準確率 99.7%^[4] 。歐美日韓注重體系化發展，歐盟《電池新規》設定再生材料比例，美國投資開發直接回收技術[5]。比利時Umicore高溫熔煉工藝可回收鉑族金屬，豐田正極修復技術使材料性能恢復 95%^[6] ；德國Siemens數字化工廠實現工藝優化；韓國POSCO氫還原法降低碳排放 60%^[7] O

3裝置結構與工作原理

3.1整體結構設計

本回收裝置采用模塊化設計，如圖1所示，主要由四大功能模塊組成：

a.輸送模塊：采用皮帶輸送機與分隔板組合設計，輸送能力可達 3m/min ，配備光電傳感器實現自動上料控制。

b.粉碎模塊：核心為三輥式粉碎機構，輥徑 200mm轉速可調范圍 50～200r/min ，破碎粒度可控制在 5mm以下。

c.分離模塊：集成磁性分離、密度分離和篩分三種技術，分離精度達 0.5mm ○d.控制系統：基于PLC實現設備聯動控制，配備HMI人機界面，支持參數設置和狀態監控。

各模塊通過安裝架集成，整體尺寸為 3.5m×1.8m× 2.2m ，采用304不銹鋼材質，滿足防腐要求。

圖1動力電池回收裝置模塊化設計圖

3.2關鍵部件創新設計

3.2.1聯動式粉碎機構

粉碎機構采用齒輪傳動系統驅動三個粉碎輥同步運轉[8]。主動齒輪模數4，齒數30，從動齒輪模數相同，齒數28，形成一定的轉速差（1.07：1），增強剪切效果。粉碎輥表面設計有交錯排列的凸齒，齒高 15mm ，間距 20mm ，可有效破碎電池外殼和極片。

該機構創新性地在粉碎機構中集成送料裝置，通過曲柄滑塊機構實現推板的往復運動（行程 150mm ，頻率60次 /min ），確保物料均勻進入分離模塊。

3.2.2多級分離系統

分離系統（圖2）采用三級分離工藝：a.磁性分離：配置NdFeB永磁鐵，表面磁感應強度1.2T，可有效吸附鐵、鎳等磁性材料[9]。b.水力分離：分離箱容積 500L ，通過密度差異分離鋁、銅等非磁性金屬。c.篩分分離：振動篩網孔徑 2mm ，分離塑料隔膜等輕質材料。特別設計的扇葉攪拌機構（轉速 120r/min ）可增強分離效果，使材料分離效率提升 40% 以上。

3.3工作原理

裝置工作流程分為四個階段：a.上料階段：待處理電池經輸送帶均勻送入粉碎機構，輸送速度根據粉碎負荷自動調節。

圖2多級分離系統圖

b.粉碎階段：三級粉碎輥將電池破碎至 5mm 以下顆粒，處理能力 200kg/h 。c.分離階段：破碎物料依次經過磁性分離、水力分離和篩分分離。d.收集階段：分類收集金屬粉末（ Cu，Al 等）磁性材料（Fe、Ni等）和塑料顆粒。整個處理過程實現自動化控制，每噸處理能耗?50kW?h ，遠低于傳統工藝的 150kW?h 。

4理論分析與計算

4.1粉碎過程力學分析

粉碎輥對電池的破碎作用主要依靠擠壓和剪切力。根據赫茲接觸理論，單顆粒破碎所需力 F 可表示為：

F=（πσ²d³）/（6E）

式中， σ 為材料抗壓強度（鋰電池平均值為 120MPa ） d 為顆粒直徑； E 為彈性模量。

對于設計的粉碎輥，理論破碎力可達 15kN ，完全滿足各類動力電池的破碎需求。

4.2磁性分離效率計算

磁性顆粒在磁場中的捕獲效率 η 可用下式估算：

式中， ??μ₀ 為真空磁導率； χ 為磁化率； V 為顆粒體積； B 為磁感應強度； k 為玻爾茲曼常數， 1.38×10^-23J/K;T 為絕對溫度，K。

計算表明，當 B=1.2T 時，對粒徑 gt;0.5mm 的鐵顆粒 捕獲效率 gt;99% 。

4.3水力分離動力學

顆粒在水中的沉降速度遵循斯托克斯定律：

v=g（ρ_p-ρ_f）d²/（18μ）

式中， ρ_p 為顆粒密度， kg/m³;ρ_f 為流體密度， kg/m³;μ 為流體動力黏度， Pa?s 。

通過調節水流速度 （0.1～0.3m/s） ，可實現不同密度材料的高效分離。

5性能測試與結果分析

5.1實驗方法

選用18650型退役鋰電池為處理對象，每組實驗處理量 100kg ，重復3次取平均值。測試指標包括：處理能力， kg/h ；金屬回收率， % ；分離純度， % ；單位能耗，kW?h/t_? 。

5.2實驗結果

實驗獲得的關鍵性能指標如表1所示。

表1關鍵性能指標

5.3結果分析

a.處理能力提升：主要得益于三級粉碎設計和聯動送料機構，避免了物料堆積。b.回收率提高：多級分離系統使各類材料得到充分分離，特別是磁性分離系統對鐵、鎳的回收效果顯著。c.能耗降低：優化傳動系統和采用永磁分離技術，大幅減少了能源消耗。

6結語

本文設計的新能源動力電池回收裝置通過創新性的機械結構和分離系統，實現了對廢舊動力電池的高效回收。主要結論如下：

a.三級粉碎機構處理能力達 200kg/h ，比傳統設備提高 66.7% 。b.多級分離系統使金屬回收率達到 98% 以上，純度超過 97% 。c.單位處理能耗降至 48kW?h/t ，具有顯著的經濟和環境效益。

該裝置為動力電池回收提供了高效、環保的解決方案，對推動新能源汽車產業可持續發展具有重要意義。未來將通過智能化升級和工藝優化，進一步提升裝置性能和應用范圍。

參考文獻：

[1]中國汽車技術研究中心.中國新能源汽車動力電池回收利用產業發展報告[R].北京：電子工業出版社，2023.

[2]張明遠，李紅梅.動力電池回收技術研究進展[J].中國有色金屬學報，2022，32（5）：1234-1245.

[3]國家發展改革委.新能源汽車動力蓄電池回收利用管理暫行辦法[z].2022-03.

[4]陳剛，王立新.基于磁選技術的動力電池回收裝置設計[J].機械工程學報，2021，57（16）：205-212.

[5]WangL，Chen X.A novel mechanical-physical combined process forrecycling spent lithium-ionbatteries[J].WasteManagement，2021，135：287-296.

[6]Wang W.Cryogenic crushing technology for spent lithium-ion batteries[J].Journal ofHazardousMaterials，2023，441：129842.

[7]European Commission.Regulation concerning batteries and waste bat-teries[Z].2023.

[8]李建軍，張紅霞.動力電池機械法回收技術進展[J].中國工程科學，2022，24（5）：89-97.

[9]趙中偉.鋰離子電池有價金屬回收新工藝[J].中國有色金屬學報，2021，31（8）：2156-2166.

作者簡介：

楊金廣，男，1989年生，副教授，研究方向為三維設計、工廠優化。