廢舊鋰離子電池中有價金屬的回收概述

劉方方

摘 要：簡要闡述了回收廢舊鋰離子電池中有價金屬的重要性，歸納了國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的回收技術(shù)，展望了回收技術(shù)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：廢舊鋰離子電池；回收技術(shù)；有價金屬；環(huán)境污染

中圖分類號：TM912；X705 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.22.024

1 市場背景

鋰離子電池作為當今世界應(yīng)用最廣泛和最有發(fā)展前景的電池之一，其產(chǎn)量和使用量在不斷增加。根據(jù)日本矢野經(jīng)濟研究所的研究數(shù)據(jù)，2012年，全世界鋰離子單體電池市場為1.17萬億日元，預(yù)計2015年將增長到2.88萬億日元。但是，鋰離子電池的使用壽命一般為1～3年，經(jīng)過幾百、幾千次的充放電后，其活性材料就會因為溶解流失、結(jié)構(gòu)變化等問題而失去活性，導(dǎo)致電池容量下降，最終使得電池失效報廢。隨著鋰離子電池在儲能領(lǐng)域的廣泛使用，廢舊鋰離子電池給貴金屬資源的利用和環(huán)境污染等造成的壓力也與日俱增。

2 回收有價金屬的重要性

2.1 廢舊鋰電池對環(huán)境的不良影響

如果廢舊鋰離子電池處理不當，就會對環(huán)境和人類健康造成不良的影響。鋰電池是由正極材料、負極材料、電解質(zhì)和隔膜等幾部分組成。各組成部分對環(huán)境和人類健康的影響如表1所示。

表1 鋰離子電池各種組分對環(huán)境和人類的影響

材料

種類 具體物質(zhì) 化學(xué)特性 產(chǎn)生的影響

正極

材料 LiCoO2、LiMnO4、LiFePO4等 能夠與酸堿反應(yīng)，產(chǎn)生重金屬 重金屬污染，使環(huán)境的pH值升高

負極

材料 石墨等 燃燒能夠產(chǎn)生CO等，同時還能引發(fā)粉塵污染 燃燒產(chǎn)生的CO和固體粉塵顆粒會污染空氣

電解液溶質(zhì) LiPF6、LiBF4、

LiCIO4等 強烈的腐蝕性，遇水或高溫能夠產(chǎn)生有毒氣體 產(chǎn)生有毒氣體，污染空氣，經(jīng)由皮膚、呼吸接觸對人體造成刺激

電解液溶劑 EC、EMC、DMC、

PC等 燃燒能夠產(chǎn)生CO 醇等有機物污染，經(jīng)由皮膚、呼吸接觸會對人體造成刺激

其他

材料 PVDF 可與氟、濃硫酸、強堿、堿金屬反應(yīng) 受熱分解產(chǎn)生HF，產(chǎn)生氟污染

2.2 符合持續(xù)性發(fā)展的要求

鋰離子電池中含有大量的鈷、鋰、鎳等有價金屬，其含量分別為5～20 wt%、5～7 wt%和5～10 wt%，都高于自然界礦石中相應(yīng)的金屬含量。當前，在回收廢舊鋰離子電池中有價金屬方面，主要針對的是有價金屬鈷和鋰。

鈷在地殼中的平均含量很低，僅為0.001 wt%. 自然界已知含鈷礦物近百種，但是，沒有單獨的鈷礦物，大多伴生于鎳、銅、鐵等硫化物礦床中，并且含量比較低。全世界已探明的鈷金屬儲量為1.48×106 t，我國已探明鈷金屬儲量僅為4.7×105 t。因此，鈷屬于稀缺戰(zhàn)略金屬。

鋰是金屬活動性較強的金屬，有“高能金屬”之稱。除了將其應(yīng)用于鋰離子電池中作為活性材料之外，其鋰化物可作為助溶劑應(yīng)用于陶瓷制品中，也可作為脫氧劑、脫氯劑等應(yīng)用于冶金工業(yè)中。

隨著鋰離子電池的廣泛使用，每年都會產(chǎn)生大量的廢舊鋰離子電池。這些廢舊鋰離子電池中的有價金屬，比如鈷、鋰等，目前還沒有得到系統(tǒng)的回收利用。因此，如果能夠從大量的廢舊鋰離子電池中高效回收這些有價金屬，不僅具有較高的經(jīng)濟價值，還能夠減少對環(huán)境的污染，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。

3 國內(nèi)外的主要回收方法

目前，國內(nèi)外回收廢舊鋰離子電池中有價金屬的步驟是：①徹底放電，拆分、粉粹廢舊電池；②分離各組成部分，即正極、負極、電解液和隔膜等；③實現(xiàn)有價金屬的富集；④減少或消除有害物質(zhì)對環(huán)境的污染。

回收方法主要分為物理方法和化學(xué)方法兩大類。物理方法主要有機械分離法、機械研磨法和熱處理法等。機械分離法主要用于廢舊電池的前期處理中，比如去除電池的外殼等；機械研磨法是對電池中固體物質(zhì)施加機械力，使材料結(jié)構(gòu)或物質(zhì)組成上發(fā)生變化，從而為下一步材料的分離和回收提供基礎(chǔ)。化學(xué)方法主要有堿液浸出、酸液浸出、生物浸出、溶劑萃取、化學(xué)沉淀和電化學(xué)沉積等。其中，堿液浸出和酸液浸出都是傳統(tǒng)的化學(xué)浸出方法，它們能夠使電極材料中的金屬元素以離子的形式進入溶液中，進而為下一步分離提供依據(jù)；生物浸出是由生物冶金技術(shù)發(fā)展而來的新方法，它是通過細菌的氧化作用使金屬以離子的形式進入溶液中，具有高效率、低成本、環(huán)境友好等特點。

4 展望

現(xiàn)階段，在回收廢舊鋰離子電池的過程中，主要存在以下幾個問題：①廢舊鋰離子電池拆分效果不理想，不能徹底分離活性物質(zhì)。②在處理廢舊鋰離子電池的過程中，會產(chǎn)生很多污染物，比如在電池破碎的過程中，LiFePO4分解產(chǎn)生HF、PF5等有毒氣體；在使用強酸進行資源化的過程中，容易產(chǎn)生Cl2、NO、NO2和大量含酸或含堿的廢水等，進而對環(huán)境造成二次污染。③關(guān)于廢舊鋰電池處理辦法的法律法規(guī)還不完善。④人們?nèi)狈U舊鋰離子電池回收利用必要性的認識，回收意識淡薄。

鑒于此，在今后的發(fā)展過程中，鋰離子電池中有價金屬的回收工作應(yīng)朝著減少污染、提高回收效率、增強人們參與回收的積極性等方向發(fā)展。

參考文獻

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〔編輯：白潔〕