廢舊動(dòng)力鋰電池自動(dòng)拆解試驗(yàn)研究

吳文峰+沙亞紅+黃敦新+周水根+趙勇禮

摘 要：隨著新能源電動(dòng)汽車市場(chǎng)的快速發(fā)展，未來(lái)動(dòng)力鋰電池報(bào)廢量將大幅增加?；趶U舊動(dòng)力鋰電池的環(huán)境危害性與經(jīng)濟(jì)價(jià)值性，需要研發(fā)環(huán)保、安全、可靠、高效的自動(dòng)化拆解回收設(shè)備。本文結(jié)合動(dòng)力電池拆解回收工藝流程，簡(jiǎn)化部分工序內(nèi)容著重于自動(dòng)化拆解工藝設(shè)計(jì)動(dòng)力電池自動(dòng)拆解試驗(yàn)設(shè)備，并完成了拆解試驗(yàn)。本文拆解試驗(yàn)結(jié)果表明，利用砂輪片切割動(dòng)力電池具有可行性；切割工位是產(chǎn)生粉塵廢氣的主要工位，切割過(guò)程需重點(diǎn)防護(hù)粉塵廢氣泄露，并對(duì)粉塵廢氣進(jìn)行環(huán)保處理；采用夾爪取芯方式對(duì)于鼓脹電池進(jìn)行電芯外殼分離的可靠性不高。本文進(jìn)行拆解試驗(yàn)對(duì)動(dòng)力電池自動(dòng)化拆解環(huán)保回收設(shè)備研發(fā)及工藝優(yōu)化，具有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力鋰電池，自動(dòng)拆解設(shè)備，工業(yè)化綠色回收，切割粉塵處理，廢氣處理

0 引言

基于節(jié)能、環(huán)保、能源安全戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì)，我國(guó)正在大力發(fā)展新能源汽車新興產(chǎn)業(yè)。緊隨新能源汽車整體走勢(shì)，汽車動(dòng)力電池出貨量也呈現(xiàn)大幅增長(zhǎng)趨勢(shì)。動(dòng)力電池出貨量從2014年的3.7Gwh攀升至2015年的15.7Gwh。2016年上半年出貨量繼續(xù)保持強(qiáng)勁增勢(shì)，1-6月動(dòng)力電池出貨量達(dá)6.67Gwh，與2015年上半年2.72Gwh相比，同比增幅達(dá)1.45倍。預(yù)計(jì)到2020年動(dòng)力鋰電池的需求量將達(dá)到125Gwh，報(bào)廢量將達(dá)到32.2Gwh，約50萬(wàn)噸；到2023年，報(bào)廢量將達(dá)到101Gwh，約116噸。因此，汽車動(dòng)力電池全生命周期研究勢(shì)在必行，從電池制造到報(bào)廢處理以及材料循環(huán)利用出發(fā)，真正使得整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈實(shí)現(xiàn)綠色、環(huán)保、循環(huán)可持續(xù)發(fā)展。

對(duì)報(bào)廢的車用動(dòng)力鋰電池進(jìn)行回收十分必要和重要，必要在于其環(huán)境危害性，重要在于其經(jīng)濟(jì)價(jià)值性。動(dòng)力鋰電池所含成分比較復(fù)雜，電池中含有重金屬元素（銅、鈷、鎳、錳等）、六氟磷酸鋰（LiPF6）、有機(jī)碳酸酯、難降解有機(jī)溶劑及其分解和水解產(chǎn)物。LiPF6穩(wěn)定性較差，易熱分解、水解出產(chǎn)物PF5、HF等劇毒氣體。鈷、鎳、銅等重金屬在環(huán)境中具有累積效應(yīng)，污染土壤和地下水源并通過(guò)生物鏈最終危害人類健康。同時(shí)，廢舊電池中的塑料或金屬外殼、電解液、電解質(zhì)鹽以及電極廢料均具有回收價(jià)值。鋰電池正極鈷、鋰材料資源稀少具有很高回收價(jià)值，正負(fù)極集流體鋁箔、銅箔也具有回收價(jià)值。對(duì)于動(dòng)力電池進(jìn)行資源化回收，不但可以減少?gòu)U舊電池對(duì)于環(huán)境的污染，帶來(lái)顯著環(huán)境效益，還能實(shí)現(xiàn)電池中資源組分的充分回收利用，產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)積極響應(yīng)國(guó)家發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的發(fā)展戰(zhàn)略。

目前國(guó)內(nèi)動(dòng)力電池回收主要依靠人工進(jìn)行拆解，自動(dòng)化拆解程度很低，而動(dòng)力電池拆解過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣、廢液、粉塵對(duì)環(huán)境、工人均具有嚴(yán)重的危害性，因此動(dòng)力電池回收企業(yè)迫切需要自動(dòng)化全封閉拆解設(shè)備，才能真正實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池節(jié)能環(huán)保、安全可靠、高效率地拆解回收。本文針對(duì)國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)報(bào)廢電池拆解行業(yè)現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，以及企業(yè)的自動(dòng)化拆解設(shè)備需求，進(jìn)行廢舊動(dòng)力鋰電池自動(dòng)拆解試驗(yàn)研究，探索開(kāi)發(fā)出動(dòng)力鋰電池自動(dòng)拆解生產(chǎn)工業(yè)化設(shè)備，推動(dòng)我國(guó)廢舊動(dòng)力電池循環(huán)利用行業(yè)發(fā)展。

1 動(dòng)力電池回收流程

在電動(dòng)汽車工況下，動(dòng)力電池放電容量衰減到初始容量80%時(shí)即無(wú)法滿足車用要求，必須更換新電池以維持電動(dòng)汽車性能。實(shí)際上容量衰減至80%的動(dòng)力電池仍然有較好的性能和較長(zhǎng)的壽命，可以滿足一些對(duì)性能要求不苛刻的領(lǐng)域，例如電網(wǎng)儲(chǔ)能、削峰填谷、低速電動(dòng)車、場(chǎng)地車等使用環(huán)境。為了充分利用動(dòng)力電池資源，節(jié)約動(dòng)力電池的使用成本，目前對(duì)廢舊動(dòng)力鋰電池回收利用主要是先進(jìn)行余能梯次利用，最終再進(jìn)行徹底拆解回收利用。動(dòng)力鋰電池徹底拆解回收流程圖如圖1所示。

本文進(jìn)行廢舊動(dòng)力鋰電池自動(dòng)拆解試驗(yàn)研究，主要針對(duì)動(dòng)力電池徹底拆解回收流程中的電池單體拆解試驗(yàn)。目前大部分廠家生產(chǎn)的動(dòng)力電池單體外殼主要為不銹鋼、鍍鎳鋼、鋁殼等。據(jù)行業(yè)調(diào)研了解，國(guó)內(nèi)目前還沒(méi)有電池單體自動(dòng)化拆解設(shè)備。

2 動(dòng)力電池自動(dòng)拆解試驗(yàn)

2.1 拆解設(shè)備及試驗(yàn)參數(shù)

本文進(jìn)行廢舊動(dòng)力鋰電池自動(dòng)拆解試驗(yàn)研究，主要采用了自行研制的電池單體自動(dòng)拆解試驗(yàn)設(shè)備，如圖2所示。自動(dòng)拆解試驗(yàn)設(shè)備主要完成電池電極頭切割、電芯與外殼分離、材料分類收集等，包括切割工位、取芯工位、封閉外罩、粉塵廢氣抽取等機(jī)構(gòu)裝置。

在拆解過(guò)程中由人工進(jìn)行上料，可以通過(guò)透明封閉外罩觀察切割、取芯過(guò)程效果，自動(dòng)拆解試驗(yàn)設(shè)備動(dòng)作流程如圖3所示。

在拆解試驗(yàn)中，動(dòng)力電池輸送平臺(tái)、夾爪取芯機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)由伺服電機(jī)、減速機(jī)、滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)。拆解試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

2.2 拆解廢氣

動(dòng)力鋰電池單體自動(dòng)拆解的粉塵、混合廢氣主要產(chǎn)生于電極頭切割工序。切割粉塵沿砂輪切線方向飛出，主要通過(guò)防護(hù)罩連接工業(yè)吸塵器利用布袋過(guò)濾收集。經(jīng)試驗(yàn)初步檢測(cè)，動(dòng)力電池拆解產(chǎn)生的廢氣主要成分有氟化物（HF、PF5）、揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）、非甲烷總烴等，如表2所示。切割廢氣濃度較低、成分復(fù)雜、呈刺激性惡臭味，嚴(yán)重影響工人身體健康及周邊環(huán)境。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3095-2012）》中規(guī)定氟化物1小時(shí)平均濃度（通量）限值為20μg/m3。拆解試驗(yàn)中產(chǎn)生的廢氣成分氟化物濃度已超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，須采用有效凈化工藝對(duì)拆解廢氣進(jìn)行處理。試驗(yàn)中先過(guò)濾切割粉塵，抽取廢氣通入裝有堿液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的NaOH溶液）的大桶中，對(duì)試驗(yàn)廢氣成分進(jìn)行吸收再排放。

2.3 拆解結(jié)果分析

動(dòng)力電池采用砂輪片切割方式，能夠順利完成切割，切割出來(lái)的電池頭存在一些切割廢料毛刺，切割完成后效果如圖4所示。

動(dòng)力電池拆解試驗(yàn)設(shè)計(jì)夾爪擠入電池內(nèi)部，夾爪外側(cè)斜面撐開(kāi)電池外殼，夾爪內(nèi)側(cè)倒齒夾緊電芯材料后再拉出，從而分離電芯材料與外殼。取芯過(guò)程如圖5所示。

對(duì)于沒(méi)有鼓脹的廢舊電池，夾爪擠入電池后撐開(kāi)外殼，可以完成取芯。對(duì)于已經(jīng)鼓脹的廢舊電池，夾爪擠入電池?fù)伍_(kāi)外殼，但無(wú)法取出電芯。動(dòng)力電池取芯失敗如圖6所示。經(jīng)試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，鼓脹電池內(nèi)部沒(méi)有間隙，電芯材料與外殼緊密貼合在一起，采用夾爪夾取電芯后拉出的過(guò)程中，電池內(nèi)部存在空氣負(fù)壓力和摩擦力，并且?jiàn)A爪夾緊力過(guò)大，拉出過(guò)程中電芯薄極片材料、隔膜容易被撕裂，從而導(dǎo)致取芯失敗。廢舊電池中已發(fā)生鼓脹的電池?cái)?shù)量比較多，因此采用夾爪取芯方式對(duì)于動(dòng)力電池自動(dòng)化拆解批量生產(chǎn)存在比較大的風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 改進(jìn)試驗(yàn)

經(jīng)分析試驗(yàn)中動(dòng)力電池取芯失敗的原因后，設(shè)計(jì)多道縫環(huán)切電池外殼的方式進(jìn)行人工試驗(yàn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電池經(jīng)外殼多道縫環(huán)切、電池頭切割后，實(shí)現(xiàn)電芯材料與外殼順利分離，如圖7所示。

根據(jù)人工拆解試驗(yàn)結(jié)果，后續(xù)方案設(shè)計(jì)采用電池外殼多道縫環(huán)切方式進(jìn)行切割，有利于電芯材料與外殼順利分離，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池單體的自動(dòng)化拆解。

3 小結(jié)與展望

本文進(jìn)行了動(dòng)力鋰電池拆解試驗(yàn)研究，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及分析有以下結(jié)論：（1）動(dòng)力鋰電池徹底拆解回收方式，必須利用全自動(dòng)化拆解設(shè)備進(jìn)行封閉拆解，不能采用人工拆解，避免對(duì)操作工人造成身體傷害。（2）可以采用砂輪片切割方式對(duì)動(dòng)力電池切割，切割工位產(chǎn)生較多的粉塵并排放含氟廢氣，必需配備粉塵過(guò)濾設(shè)備、含氟廢氣處理設(shè)備對(duì)粉塵、廢氣進(jìn)行凈化，防止環(huán)境污染。（3）夾爪取芯方式對(duì)分離電芯可靠性不穩(wěn)定，原因是電池使用過(guò)程中電芯材料與電解液相互作用膨脹漲緊電池外殼，夾取過(guò)程中空氣負(fù)壓以及粘附摩擦作用阻礙電芯分離，并且電芯材料銅箔鋁箔薄極片、隔膜在夾取過(guò)程中易撕裂破碎，從而造成夾爪取芯無(wú)法完成。

本文拆解試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)動(dòng)力電池自動(dòng)化拆解環(huán)?；厥赵O(shè)備研發(fā)及工藝優(yōu)化，具有重要的指導(dǎo)意義。綜合試驗(yàn)結(jié)果，還需要對(duì)動(dòng)力電池自動(dòng)拆解設(shè)備進(jìn)行二期設(shè)計(jì)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池全自動(dòng)拆解，滿足電池回收行業(yè)、企業(yè)的生產(chǎn)需求，推動(dòng)動(dòng)力電池工業(yè)化回收技術(shù)水平的發(fā)展。

基金項(xiàng)目：廣東省科技計(jì)劃“動(dòng)力鋰電池綠色回收一體機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目（2015B020215003）