廢舊動力電池正負極粉回收工藝的設計與探究

成 佐 何秀玲

（廣東環境保護工程職業學院環境科學系 廣東佛山 528216）

引言

2017年中國鋰電池總產量47.13Gwh，其中，動力電池產量16.9Gwh，占比36.07%，權威機構測算，到2020年動力鋰電池的需求量將達到125Gwh，報廢量將達32.2Gwh，約50萬噸，這意味著產生大量的廢舊鋰電池將隨之產生。廢電池中平均含鋰1.9%、鎳12.1%、鈷2.3%，具有極高的回收價值。與傳統有色金屬生產企業相比，利用廢舊電池開發再生有色金屬，能源消耗可降低85-95%，生產成本可減少50-70%，更具有良好的發展前景[2-3]。本文主要針對如何回收高效廢舊動力電池中正負極粉以及新工藝的設計進行了探究。

1 傳統正負極粉的回收方式

電池由輸送機送入一級撕碎機中進行撕碎，撕碎后的物料通過輸送機送入二級多刀破碎機中進行第二次破碎，二次破碎后的物料進入到輸送機中同時設置磁選設備，可以將物料中的鐵分選出來。分選后的物料經輸送機送入氣流分選機，通過引風機和旋風下料器把正負極中的隔膜紙分離出來，把分選后的正負極片進入到三級粉碎機中進行細碎，將物料粉碎到20目左右。粉碎后的物料由負壓系統進入到旋風分離器中進行粉塵過濾，并通過兩次氣流分選，使不同密度的物質進行分層，然后得到正負極材料與銅、鋁、鎳等材料，而所有的超細粉塵由負壓系統帶入脈沖除塵器中進行收集。

傳統工藝有以下缺點：

（1）采用多級破碎分選容易造成正負極粉的損失，降低正負極粉的回收率；

（2）采用純物理機械方式很難將正負極粉從集流體上脫落下來，導致正負極粉包覆在銅鋁里面；

（3）采用傳統工藝無法將電解液除去，正負極粉上會有殘留的電解液，電解液易揮發對周邊環境造成嚴重影響；

（4）采用傳統工藝得到的正負極粉上面容易有粘結劑的包覆，對后期材料的萃取工段非常不利。

綜上所述，采用傳統工藝對正負極粉的回收極其不利，因此需要在傳統工藝的基礎上設計出新工藝，達到不僅有較高的回收率，同時能夠除去正負極粉中的粘結劑和電解液等雜質。

2 正負極粉回收新工藝的設計

鑒于目前采用傳統正負極粉回收工藝存在上面提到的缺點，本文在傳統工藝的基礎上，提出一種新的正負極粉回收工藝，即破碎-熱解-篩分新工藝。具體的工藝流程圖如下：

圖1 正負極粉回收工藝流程圖

2.1 工藝介紹

廢鋰離子電池正負極粉的回收工藝如下，廢鋰離子電池經過抓斗機裝入振動加料機，然后通過密封輸送機運至破碎系統，在破碎系統內進行物料的破碎，破碎后的碎料經過輸送機運至密封式儲料倉，儲料倉主要用于碎料的緩存，以利于整套工藝的連續性；置于儲料倉內的碎料進入低溫煅燒爐，經過低溫煅燒爐之后的碎料首先進入水冷中間儲料倉，再進入振蕩式分選機，將碎料中的黑粉分選出來；分選出黑粉后的碎料進入高頻磁選機，將碎料中的鋼殼分選出來；剩余碎料進入渦電流分選機進行銅鋁的分選。至此，實現了廢鋰離子電池中正負極粉的回收。

2.2 工藝探究

本工藝中從廢鋰離子電池中回收正負極粉主要經歷3個步驟：破碎-低溫煅燒-篩分，具體如下：

（1）破碎：廢鋰離子電池通過密閉輸送帶送入破碎機，將要破碎的廢電池通過進料系統投入破碎室，機箱內部的推料裝置把廢電池送至高速運轉的刀輥處，通過動刀和定刀的剪切，使原料快速破碎，直至碎料粒徑小于篩網孔直徑后漏出，經破碎后的電池碎片尺寸在12mm以下。

（2）低溫煅燒：采用低溫煅燒可以有效的除去廢鋰離子電池破碎后碎料中存在的有機雜質，將粘結劑、殘余的隔膜紙以及電解液有機物在低溫下進行低溫煅燒處理，實現了無污化處理，同時電解液中的F通過低溫煅燒進入尾氣中，避免了電極材料中F的存在；粘結劑在低溫下進行低溫煅燒，使得電極材料從集流體上完全脫落。

電池破碎后，正負極粉是粘在正負極片上的，必須經過一定溫度的低溫煅燒，低溫煅燒后粘結劑失去粘性，黑粉才能從集流體上脫落，這是本工藝實現黑粉高效回收的關鍵。

（3）篩分：低溫煅燒后，集流體上的正負極粉已脫落下來，通過篩分，可以將小顆粒的正負極粉篩分出來，實現正負極粉與其他物料的分離。由于正負極粉的顆粒相對于其他碎料較小，通過篩分很容易將正負極粉篩分出來，同時銅鋁、鋼殼中沒有正負極粉的包覆，回收率高。

2.3 工藝效果

（1）破碎：經過完全放電之后的廢鋰離子電池，送入破碎設備內進行破碎，經過反復的試驗與分析，將電池破碎的歷經控制在12mm左右，對后續低煅燒和分選極其有利。

（2）低溫煅燒：由于正負極粉通過粘結劑粘附在集流體上，如果簡單的破碎分選很難將正負極粉完脫附下來，本文通過提出低溫煅燒將粘結劑失去活性，從而正負極粉很容易的從集流體上脫附。破碎后的碎料主要有：鋼殼、正負極片、隔膜紙以及少量的電解液，在低溫炭化的過程中，可以將隔膜紙、電解液以及正負極片的粘結劑全部炭化，因此低溫煅燒后的碎料在顏色上相對于煅燒前黑一些。

（3）篩分：低溫煅燒后的碎料，經過篩分可以將正負極粉分選出來。

結語

廢鋰離子電池破碎設備，采用刀片式切割快速破碎方式，作用及較為集中，發生局部快速破裂，提高了破碎效率，提升工作效益；破碎后的碎料直接在12mm左右，易于后期處理工段。采用低溫煅燒工藝可以有效的除去廢鋰離子電池破碎后碎料中存在的有機雜質，將粘結劑、隔膜以及電解液有機物在低溫下進行炭化處理，實現了無污化處理，同時電解液中的F通過低溫炭化進入尾氣中，避免了電極材料中F的存在；粘結劑在低溫下進行炭化，使得電極材料從集流體上完全脫落，提高了正負極粉的回收率。