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)?；厥赵O(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，不但可以減少廢舊電池對(duì)于環(huán)境的污染，帶來顯著環(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)國內(nèi)傳統(tǒng)報(bào)廢電池拆解行業(yè)現(xiàn)狀及存在的問題進(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，國內(nèi)目前還沒有電池單體自動(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。

在拆解過程中由人工進(jìn)行上料，可以通過透明封閉外罩觀察切割、取芯過程效果，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，主要通過防護(hù)罩連接工業(yè)吸塵器利用布袋過濾收集。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國家標(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。取芯過程如圖5所示。

對(duì)于沒有鼓脹的廢舊電池，夾爪擠入電池后撐開外殼，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_外殼，但無法取出電芯。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程中，電池內(nèi)部存在空氣負(fù)壓力和摩擦力，并且夾爪夾緊力過大，拉出過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、隔膜在夾取過程中易撕裂破碎，從而造成夾爪取芯無法完成。

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）