廢棄鋰離子電池回收處理的污染物分析

胡朝鋒 程樹國(guó)

河南華瑞高新材料有限公司 河南新鄉(xiāng) 453000

1 實(shí)驗(yàn)及分析方法

1.1 樣品收集

實(shí)驗(yàn)開始前首先對(duì)樣品進(jìn)行準(zhǔn)備，鈷酸鋰電池可以從日常不能使用的電子產(chǎn)品中進(jìn)行回收。磷酸鐵鋰電池通過(guò)從電動(dòng)公交車上不能在使用的電池中進(jìn)行回收。

1.2 放電處理

對(duì)于回收到的鋰離子電池，需要進(jìn)行放電處理，放電處理既是為了保證在回收處理的過(guò)程中有足夠高的安全性，防止出現(xiàn)意外事故。在本次實(shí)驗(yàn)中使用飽和氯化鈉溶液進(jìn)行浸泡達(dá)到放電效果，浸泡的時(shí)間要確保在16小時(shí)以上，以保證電池處于完全放電態(tài)。

1.3 拆解

對(duì)放電處理后的電池進(jìn)行拆解分離，將外包裝、金屬外殼或鋁塑膜、正負(fù)極極柱等分解開。分解的鋰離子電池主要包括：外部包裝、金屬外殼或鋁塑膜、正負(fù)極極柱、正負(fù)極極片和隔膜[1]。

1.4 成分分析

將拆解后的鋰離子電池各部分取樣并粉碎，利用微波進(jìn)行前處理。使用硝酸和鹽酸為微波消解溶劑，微波消解溶劑的溫度應(yīng)該控制在合理范圍內(nèi)，時(shí)間為20分鐘，利用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀分析金屬含量，包括Li、Al、Mn、Fe、Co、Ni、Cu。

1.5 熱處理

為了使鋰離子電池回收處理的方式更加簡(jiǎn)單，在此次試驗(yàn)中主要將廢鋰離子電池的內(nèi)部成分取出之后直接投入到高溫反應(yīng)爐中進(jìn)行熱處理，通入反應(yīng)氣體并且控制不同的溫度，通過(guò)熱處理將廢鋰離子電池中的非金屬成分進(jìn)行分解，將熱處理后的殘余成分回收。

1.6 采樣分析

采樣分析是實(shí)驗(yàn)中的最后環(huán)節(jié)，對(duì)燃燒室的溫度、氣體流量等進(jìn)行全程的監(jiān)控，并且對(duì)溫度以及流量進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整，達(dá)到實(shí)驗(yàn)的規(guī)定范圍。用煙道氣體分析儀對(duì)燃燒的廢棄成分進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)控，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)熱處理后的殘余物中的金屬含量以及燃燒排氣中的重金屬濃度進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)金屬中排出的氣體以及殘余金屬量分布情況分析[2]。

2 結(jié)果與討論

2.1 廢鋰離子電池組成與成分分析

此次試驗(yàn)主要是對(duì)應(yīng)用比較廣泛的、不同牌子的廢鈷酸鋰電池進(jìn)行拆解，主要有外部包裝、金屬外殼或鋁塑膜、正負(fù)極極柱、正負(fù)極極片和隔膜等部分。試驗(yàn)結(jié)果表明，不同品牌的廢鋰離子電池因?yàn)椴牧弦约霸O(shè)計(jì)有所不同，各部分的占比存在差距，每只鈷酸鋰電池的重量在17到26克之間。為了得到廢鈷酸鋰電池的主要金屬成分和含量，將上述電池拆解后的正負(fù)極極片同時(shí)進(jìn)行微波消解，并且應(yīng)用ICP-AES對(duì)金屬的成分以及含量進(jìn)行分析，結(jié)果表明：鋰 5．27%、鋁 9．91%、鈷 46．97%、鎳 0．48%、銅 37．34%。此次試驗(yàn)對(duì)廢磷酸鐵鋰電池進(jìn)行拆解并分析成分，每只廢磷酸鐵鋰電池重量大約為350克，與鈷酸鋰電池相比其重量以及體積相對(duì)較大其主要組成為：金屬箔（正極）52．51%、石墨（負(fù)極）24．56%、隔離膜 7．93%、金屬外殼 9．93%、外部包裝（含電極）0．73%。

2.2 廢鋰離子電池不同熱處理?xiàng)l件的殘余金屬量

（1）對(duì)不同熱處理溫度進(jìn)行比較。不同處理溫度對(duì)廢鋰離子電池處理后的殘余物含量的高低區(qū)別是非常大的，實(shí)驗(yàn)中將溫度控制在400、600、800攝氏度，在去掉外殼的鋰離子電池在進(jìn)行熱處理之前對(duì)質(zhì)量先進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)過(guò)熱處理之后的廢鋰離子電池再次進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，然后對(duì)熱處理殘留物的比例進(jìn)行計(jì)算。實(shí)驗(yàn)的最終結(jié)果可以了解到，在溫度為400攝氏度時(shí)鈷酸鋰電池與磷酸鐵鋰電池中殘留物的數(shù)量較多，比例較大，溫度在600和800攝氏度時(shí)，對(duì)殘留物的檢測(cè)可以發(fā)現(xiàn)比例與廢鋰電池不燃物的比例相符合[3]。

（2）對(duì)不同熱處理氣的比較，不同熱處理氣包括空氣、N2、Co對(duì)于廢鋰離子電池?zé)岱纸獬潭群突厥仗幚淼挠绊憽７謩e用上述的氣體作為進(jìn)流氣體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)溫度保持在600攝氏度 。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以得知，進(jìn)流氣體是N2或Co時(shí)殘余物比例較高，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是熱處理氣為惰性或還原性時(shí)分解的機(jī)制為熱裂解和熱還原，屬于一種自發(fā)性反應(yīng)，對(duì)于鋰離子電池中的隔膜以及石墨無(wú)法進(jìn)行完全的分解。

（3）不同熱處理時(shí)間與處理量的比較。為分析不同熱處理時(shí)間與前處理程序（拆解與未拆解）對(duì)廢鋰離子電池回收處理效率的影響，此階段將廢鋰離子電池僅去除外部金屬殼后即投入高溫爐進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并延長(zhǎng)操作時(shí)間至 50分鐘；此外，為分析不同處理負(fù)荷量對(duì)廢鋰離子電池回收處理效率的影響，本階段另一實(shí)驗(yàn)投入 2倍廢鋰電池量于高溫爐內(nèi)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中其他操作條件保持不變，將熱處理前后的廢鋰離子電池樣品分別測(cè)質(zhì)量，并分析熱處理殘余物比例及金屬含量，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，廢鋰離子電池未經(jīng)拆解就進(jìn)行熱處理時(shí)，廢鋰電池的殘留物比例較大。當(dāng)處理負(fù)荷量提高時(shí)，磷酸鐵鋰電池的殘留物比例較大，而鈷酸鋰電池的殘留物比例較小，產(chǎn)生這種結(jié)果的原因是磷酸鐵鋰電池的隔膜與其他雜質(zhì)含量比例較鈷酸鋰電池高有關(guān)。

2.3 熱處理金屬氣固流向分析

為了對(duì)鈷酸鋰電池以及磷酸鐵鋰電池在不同熱處理溫度過(guò)程中的排放情況，實(shí)驗(yàn)中同時(shí)對(duì)燃燒排氣中的重金屬濃度進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)后對(duì)于吸收液進(jìn)行分析，結(jié)果顯示出排出的氣體的金屬濃度均較低。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)廢鋰離子電池的回收處理污染物進(jìn)行了分析，得出結(jié)論，在熱處理溫度較低時(shí)（400℃）無(wú)法將隔離膜等雜質(zhì)完全燃燒，影響熱處理殘余物比例與金屬含量，當(dāng)燃燒溫度升至600-800℃是，可以快速燒除非金屬物質(zhì)以及有害成分，有利于廢鋰離子電池的回收和減少污染的排放。不同進(jìn)氣組成對(duì)廢鋰離子電池?zé)崽幚硇Чc金屬含量的影響不大，如果考慮到成本問(wèn)題，在三種不同熱處理操作氣中，應(yīng)該首先選擇空氣。廢鋰離子電池?zé)崽幚磉^(guò)程中的氣體污染物排放濃度以600℃較低，從污染防治的角度分析，燃燒溫度控制在600℃為最合適的操作條件。