綠色環保新能源汽車廢舊電池回收方法優化研究

劉青龍

關鍵詞：新能源汽車；電池回收；化學活化法；正交試驗；綠色環保

中圖分類號：X63 文獻標志碼：B

前言

電動汽車日益普及，動力電池退役量逐年上升。目前國內主要的廢舊電池回收方式就是拆解，將其中含有的鎳、鈷、錳等金屬回收利用。如何高效回收利用新能源蓄電池成為一個新興的領域，退役電池如果處置不當，會造成鋰鈷鎳等資源的浪費，也會給社會帶來環境影響和安全隱患。鋰是新能源電車的關鍵原材料，提取難度高，且資源有限。如果實現回收利用，不但解決了資源短缺問題，也減少了對環境和人類產生的影響。隨著新能源汽車技術的不斷發展，電池技術也在不斷升級。以上集中于對廢舊汽車拆解和逆向物流網絡中企業間博弈分析，而將綠色環保因素引入到新能源汽車廢舊電池回收體系中并進行研究則比較少見。文章通過對現有的廢舊動力電池回收方法進行研究和分析，通過實驗對新能源汽車廢舊電池的回收方法進行優化。

1綠色環保的新能源汽車廢舊電池回收方法研究

1.1測試電池的選擇

鋰離子電池不同于其他電池，使用年限更久，在安全性及性價比方面具有較大優勢。為了更好驗證回收方法，結合啟動表現，行駛質感等方面，選擇報廢程度較高的動力電池作為測試電池。正極材料：LiFePO₄鈷酸鋰（LiCoO₂LCO）、LiNiO₂、LiMn₂O₄等，LCO能造成更嚴重的亞慢性炎癥和肺纖維化趨勢。負極材料：主要產生石墨粉塵體；造成粉塵和大氣污染。電解質：LiPF6、LiBF4等，遇水可分解產生HF，燃燒產生P2O5等有毒物質；HF和P₂O₅污染空氣，對人體皮膚，呼吸系統造成危害。電解液中的主要有毒物質是鋰鹽和溶劑，對人體健康有較大損傷。

1.2回收方法選擇

鋰離子電池的回收方法包含濕法回收技術、干法回收技術，生物法回收技術等，實驗采用添加共磨劑與機械活化法結合進行回收，在實驗中可以得到最優的試驗環境及配比條件。

1.3實驗試劑與儀器

文章中所使用的化學試劑主要包括HCl，（NH₄）₂SO₄，H₂O₂水溶液，均為分析純。實驗儀器主要包括原子吸收分光光度計，恒溫磁力攪拌器，分光光度計，真空干燥箱，X射線衍射儀。

1.4實驗設計

在以上的實驗試劑和器材下，設計廢舊電池回收的操作流程。

第一步：將廢棄鋰電池進行放電處理，隨后進行拆解剝離，除了正負極片，其他進行分類回收。

第二步：新能源電池的回收主要指對正負極片的回收，負極片分離出石墨與鋁箔，正極片在空氣氣氛中于350℃高溫下去除粘合劑，去除粘合劑和碳，銅箔，除鋁箔外粉末為實驗研究的目標即回收原料。

第三步：用HCl溶解，正極材料粉末與共磨劑使用共磨機進行混合，過濾清洗。添加浸出劑進行回收實驗。

第四步：在反應充分后，收集所得溶液及反應殘渣。并向溶液中添加磷酸鈉進行沉淀回收。

2實驗結果討論與分析

2.1球磨參數對浸出率的影響

文章采用的是三因素三水平的正交實驗，實驗中選擇球磨時間、轉數、球料比作為變量三因素，并將上述因素施以不同的水平進行測試，實驗溶液為上述所得單位重量正極材料和等mol比例的水和共磨劑混合，充分混合磨制，實驗中浸出劑添加比例為5%、反應時間為60分鐘、操作溫度為80℃。

實驗設定的變化參數包括：設備設定轉數為：500轉／分、600轉／分、700轉／分；混合磨制時間設定間隔15分鐘，分別為：15分鐘，30分鐘、45分鐘；共磨劑與物料比例為：1：5、1：10、1：15。則正交試驗見表1。

在以上的正交實驗對照組下，得到的不同因素、不同水平的球磨參數小，正交實驗結果見表2。

表2中K1-K3表示統一因素統一水平下浸出效率的平均值，從表2分析出，三個主要因素對于浸出效果影響強弱為：球料比影響最大，轉數影響最小。在實驗組編號為26的因素水平下，浸出效果最好。對以上結果所得數據，進行相應的方差分析，得到的結果見表3。

由表3可以看出，球磨參數在最優結果附近時，浸出率效果影響不大，在濕磨時間為30 min、轉數為600（r·min^-1）、球料比為10：1時可以滿足浸出需求。

2.2浸出參數對浸出率的影響

實驗溶液為上述所得單位重量正極材料和等摩爾比例的水和共磨劑混合濕磨后進行浸出。在實驗中改變的實驗指標范圍：浸出劑添加比例2%～10%、浸出劑與溶液比例1：20～1：60、操作溫度40℃～80℃、反應時間20～60分鐘。實際按照上述條件操作實驗得出的最優條件即：浸出劑添加比例4%、浸出劑與溶液比例1：30，操作溫度為70℃、反應時間為50分鐘。

在以上測試中，不同類型的浸出參數對于浸出率的影響情況見圖1。

從圖1浸出劑、溫度、固液比、時間對應下的浸出率結果可以看出，文章實驗中選擇的各類浸出參數對浸出率有不同程度的影響。

（1）浸出劑：當浸出劑用量≤4%（體積分數）時，Li的浸出率逐漸升高，在浸出率為4%時，浸出率達到99.5%，當H₂O₂≥4%時，浸出率呈現下降趨勢。這是由于H₂O₂使用量發生自耗，氧化能力降低，對應的Li的浸出率降低。因此在H202的體積分數為4%時浸出率最高。

（2）浸出溫度：大體上看，隨著浸出溫度的升高，鋰的回收率在不斷增加，在70℃時達到頂峰，現場測得此時的回收率在99.42%；在反應溫度上升到80℃時，浸出率呈現下降趨勢，相應的Li的浸出速率下降；選擇最優的浸出溫度為70℃。

（3）固液比：當固液比≤30：1（g：L）時，Li的浸出率逐漸上升，達到98.67%，當固液比≥30：1（g：L）時，浸出率逐漸下降甚至低于95%。因為溶液中顆粒的濃度過高，抑制了擴散速度與效率，所以選擇固液比為30：1（g：L）。

（4）浸出時間：隨著實驗的進行，溶液中各個成分相互反應，相應的鋰的回收率不斷升高，但是在進行到50 min后，回收率不再上升，因為浸出反應需要一定的反應時間，隨著時間的升高，反應更充分，浸出效率更高，直到材料耗盡，浸出率呈現下降趨勢。所以50 min為最佳浸出時間。

2.3添加不同共磨劑及浸出劑回收效率對比

進一步驗證文章實驗過程中添加的共磨劑（NH4）₂SO₄浸出劑H₂O₂為最優的實驗試劑。對比傳統的共磨劑和浸出劑，在相同溶液配比下，得到的浸出結果見表4。

如圖2所示，共磨劑1、2、3、4分別為（NH₄）₂SO₄、EDTA-2Na、H₃Cit和無共磨劑，從圖2中可以看出，使用（NH₄）₂SO₄作為共磨劑的時候，浸出效果最好。

3討論與結論

實驗中所選擇的不同類型的共磨劑、浸出劑對于鋰電池的回收有一定程度上的影響，而不同的球磨參數和浸出參數與浸出率密切相關，從而影響廢舊鋰電池的回收效率。文章選取電池容量低于初始容量80%的動力電池作為測試電池，利用三因素三水平設計進行了正交實驗，實驗結果表明，前處理階段：混合磨制設備轉數600轉／分、共磨劑與物料比例1：10、共磨混合時間30分鐘。后回收階段：浸出劑添加比例4%、浸出劑與溶液比例1：30，操作溫度為70℃、反應時間為50分鐘。Li的浸出率為99.64%。

4結束語

在考慮綠色環保因素后，企業利潤和利潤空間都會有所提高，科學的回收處理廢舊電池，不僅避免了酸堿試劑的大量使用，生態環境和人類身體健康得到守護。另一方面在工業生產上，各類金屬包括稀有金屬的回收率大大提高，減少金屬的流失，緩解中國貴金屬資源短缺問題，具有較大的經濟效益和社會效益。因此，為探究新能源汽車廢舊電池最優回收條件，以某新能源汽車的廢舊電池作為回收對象，設置測試電池，選擇回收方法、實驗試劑與儀器，設計回收流程。設置三因素三水平正交實驗，分析不同回收條件下最優的金屬浸出率，以有效提高新能源汽車廢舊電池回收處理效益，從而為實際回收工作提供指導。