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动力电池的回收技术及工艺解析

动力电池的回收技术及工艺解析

发布时间 : 2016-03-20 浏览次数 : 1754

根据中国汽车技术研究中心的预计,2015年动力电池累计报废量约在2至4万吨左右。到2020年前后,我国仅纯电动(含插电式)乘用车和混合动力乘用车动力电池累计报废量将达到12至17万吨的规模。然而我国电池的回收率却不足2%,大量废弃的电池造成了资源能源浪费和环境污染。

根据中国汽车技术研究中心的预计,2015年动力电池累计报废量约在2至4万吨左右。到2020年前后,我国仅纯电动(含插电式)乘用车和混合动力乘用车动力电池累计报废量将达到12至17万吨的规模。然而我国电池的回收率却不足2%,大量废弃的电池造成了资源能源浪费和环境污染。

动力电池的回收技术及工艺

1.锂离子动力电池的组成

一种典型的锂离子电池结构

锂电池主要是由正极材料、负极材料、电解质和隔膜等几部分组成。正极通常用粘合剂聚偏氟乙烯(PVDF)将正极材料固定在电极上制得。负极一般采用石墨结构的碳素材料,如碳/石墨插入材料,由碳素材料、乙炔黑、粘合剂按一定比例混合涂覆在铜箔上制得。隔膜主要由聚丙烯、聚乙烯微孔薄膜或二者双层组成,其厚度在10 μm左右。电解液主要是含锂盐的有机溶剂,其中锂盐通常是LiPF6,也会用LiClO4 或LiBF4。有机溶剂通常为碳酸酯类(碳酸二甲酯、碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯等)。外壳为不锈钢、镀镍钢或铝壳等。这些物质的存在会使得随意丢弃废旧电池造成水污染,危及水生物的生存和水资源的利用。废酸与废碱等电解质溶液则会使土壤酸化或碱化。废旧电池中化学物质对环境和人体健康危害途径如图3所示,各主要组成部分对环境和人类健康的影响如表1所示。

某些混合动力汽车中锂离子电池的具体物质组成含量如表2所示。可以看到废旧锂离子动力电池含有大量的锂、镍、锰、铁等元素。根据有关分析的结果,回收锂离子电池可节约51.3%的自然资源,包括减少45.3%的矿石消耗和57.2%的化石能源。因此,如果能够从大量的废旧锂离子电池中高效回收这些有价金属,不仅具有较高的经济价值,还能够减少对环境的污染。

锂离子电池的具体物质组成含量

2.动力电池的回收技术

下图是已被国内外普遍认可和遵循的动力锂电池使用回收流程,该流程结合循环经济理论和产品生命周期分析(LCA)原理建立。根据USABC的相关评估标准,动力电池的使用寿命终了为实际容量下降到标称容量80%以下。对该部分电池进行回收进行二次利用将会大大减轻对环境的污染。而废旧不再拥有使用价值的动力电池则采取循环再造形式进行再制造。

动力电池使用回收流程

目前,国内外对废旧锂离子电池的回收过程是:首先彻底放电,然后对电池进行拆解分离出正极、负极、电解液和隔膜等各组成部分。再对电极材料进行碱浸出、酸浸出、除杂后进行萃取以实现有价金属的富集。在回收过程中用到的方法主要分为按提取工艺可分为3大类:干法回收技术,湿法回收技术,生物回收技术。

各类回收技术

类型

定义

方法

内容

干法回收技术

干法回收是指不通过溶液等媒介,直接实现材料或有价金属的回收方法,主要是通过物理分选法和高温热解法,对电池破碎进行粗筛分类,或高温分解除去有机物以便于进一步的元素回收。干法回收不经过其他的化学反应,工艺流程较短,回收的针对性不强,是实现金属的分离回收初步阶段。

机械分选法

机械分选法是利用电池不同组分的密度、磁性等物理性质的不同,采取破碎、筛分等手段将电池材料粗

筛分类,实现不同有用金属的初步分离回收的目的。总的来说,由于锂离子电池的结构比较特殊,活性材料和集流体粘合紧密,不易解体和破碎,在筛分和磁选时,存在机械夹带损失,因此很难实现金属的完全分离回收。

高温热解法

高温热解法主要通过高温焚烧分解去除粘结剂,使材料实现分离,同时经过高温焚烧,电池中的金属会

氧化、还原并分解,形成蒸汽挥发,通过冷凝将其收集。该方法虽然工艺简单,产物单一,但耗能较高,

比较适合预处理过程。

湿法回收技术

湿法是以各种酸碱性溶液为转移媒介,将金属离子从电极材料中转移到浸出液中,再通过离子交换、沉

淀、吸附等手段,将金属离子以盐、氧化物等形式从溶液中提取出来。湿法回收技术工比较艺复杂,但各有价金属的回收率较高。

湿法冶金

湿法冶金是将废弃电池破碎后,用合适的化学试剂选择性溶解,分离浸出液中的金属元素。由于处理

设备投资成本低,适合中小规模废旧锂电池的回收。为了提高金属的提取效率,该工艺要求废弃锂电池在破碎前要根据电池的材料化学组成的不同进行精细分类,以配合浸出液化学系。

化学萃取法

萃取法是利用某些有机试剂与要分离的金属离子形成配合物,然后利用适宜的试剂将金属分离出来。这种方法对设备的防腐要求高,同时要使用大量有机溶剂,对环境有二次污染,且回收成本高。

离子交换法

利用离子交换树脂对要收集的金属离子络合物的吸附系数的不同来实现金属分离提取。该工艺简单,易于操作。

生物回收技术

生物回收技术是一种工艺简单、成本经济、环境友好的回收技术,主要是利用微生物浸出,将体系的

有用组分转化为可溶化合物并选择性地溶解出来,得到含有效金属的溶液,实现目标组分与杂质组分分

离,最终回收锂等有价金属

目前,应用生物浸出技术处理废弃锂离子电池的研究才刚刚起步,还有许多难题需要解决,如高效菌种的培养,周期过长,浸出条件的控制等。但其低成本、污染小、可重复利用的特点,是未来锂离子电池回收技术发展的理想方向。

 

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