廢舊鋰離子電池資源價(jià)值與環(huán)境危害研究
——評(píng)《廢舊鋰離子電池再生利用新技術(shù)》

胡林琦

(嶺南師范學(xué)院社會(huì)與公共管理學(xué)院,廣東 湛江 524048)

近年來,隨著鋰離子電池使用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展以及使用量的快速上漲,廢舊鋰離子電池的處理問題日益受到重視。鋰離子電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、質(zhì)量輕、適用溫度范圍廣等優(yōu)點(diǎn),在便攜式醫(yī)療器械的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯。受醫(yī)務(wù)社會(huì)工作高質(zhì)量發(fā)展的影響,越來越多的便攜式醫(yī)療設(shè)備采用鋰離子電池供電,相關(guān)廢舊鋰離子電池的數(shù)量也呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)。廢舊鋰離子電池一方面會(huì)帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染;另一方面,由于含有豐富的有色金屬成分,具有極高的資源屬性。必須重視對(duì)廢舊鋰離子電池的回收再利用。

董鵬等編著的《廢舊鋰離子電池再生利用新技術(shù)》系統(tǒng)地闡述了廢舊鋰離子電池的回收再處理。全書一共分為4 章,21 節(jié),另有2 份附錄。第1 章為廢舊鋰離子電池回收利用現(xiàn)狀,分為6 小節(jié);第2 章為廢舊鋰離子電池中三元材料回收利用,分為9 小節(jié);第3 章為廢舊鋰離子電池中磷酸鐵鋰材料回收利用,分為2 小節(jié);第4 章為廢舊鋰離子電池中鈷酸鋰材料回收利用,分為4 節(jié);附錄一為廢舊鋰離子電池回收利用相關(guān)政策;附錄二為廢舊鋰離子電池回收利用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

1 基于醫(yī)務(wù)社會(huì)工作需求的鋰離子電池概述

便攜式醫(yī)療設(shè)備主要采用鋰離子電池供電,由于有些便攜式設(shè)備需要全天候佩戴在身上,電池的使用率非常高,因此,各類便攜式、移動(dòng)式診療儀器的需求被激發(fā)出來。

1.1 分類及特點(diǎn)

目前主要的鋰離子電池,多數(shù)是按正極材料來分類,包括磷酸鐵鋰、三元材料、鈷酸鋰、錳酸鋰和鎳酸鋰等。磷酸鐵鋰鋰離子電池的應(yīng)用廣、壽命長(zhǎng)、熱穩(wěn)定性好,可用于小型醫(yī)療設(shè)備、電動(dòng)輪椅車、植入性的醫(yī)療器械(磷酸鐵鋰無毒性,可滿足要求)等;三元材料鋰離子電池正極材料主要是鎳鈷錳酸鋰或鎳鈷鋁酸鋰,壽命長(zhǎng)、能量密度高,但散熱性較差,可用于智能可穿戴設(shè)備、掃地機(jī)器人、無人機(jī)等;鈷酸鋰鋰離子電池結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、比容量高、綜合性能突出,但安全性差、成本高,可用于手機(jī)、筆記本電腦等便攜式移動(dòng)設(shè)備中。

1.2 優(yōu)勢(shì)

①安全性高。不含汞、鉛、鎘等有害金屬物質(zhì),對(duì)環(huán)境污染和人體安全的危害較小。②電壓高。1 只單體鋰離子電池的電壓可達(dá)3.2 V,甚至3.7 V,約等于2～4 只鎳氫電池的串聯(lián)電壓。如果醫(yī)療儀器設(shè)備的電壓需求較高,較少的鋰離子電池就可滿足電壓需求,可減輕醫(yī)療儀器設(shè)備的質(zhì)量,解決傳統(tǒng)診療或康復(fù)儀器體積大、移動(dòng)不便等諸多問題。③能量密度高。鋰離子電池具有高儲(chǔ)能性,常用的鋰離子電池比能量可達(dá)到450～620 W·h/kg,是鉛酸電池的5～7 倍。④使用壽命長(zhǎng)。正常使用狀態(tài)下,鋰離子電池可使用6～9 a,使用次數(shù)達(dá)1 000 次以上。④自放電低,無記憶效應(yīng)。鋰離子電池中設(shè)有保護(hù)板,提高了電池的功率承受能力。

2 廢舊鋰離子電池危害及回收利用現(xiàn)狀

預(yù)計(jì)到2030 年,全球鋰離子電池回收市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到237.2 億美元,報(bào)廢的鋰離子電池將達(dá)到1.1×107t 以上,在當(dāng)前全球資源緊張的當(dāng)下,加強(qiáng)對(duì)廢舊鋰離子電池的回收及利用,具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

2.1 危害

鋰離子電池在使用過程中不會(huì)對(duì)人體和環(huán)境造成危害,但如果廢舊鋰離子電池不經(jīng)處理隨意丟棄,就會(huì)給環(huán)境造成嚴(yán)重污染。一方面,廢舊鋰離子電池中的碳酸甲酯、碳酸乙酯、碳酸甲乙酯等低分子有機(jī)物會(huì)污染環(huán)境,并存在易燃易爆的風(fēng)險(xiǎn);另一方面,廢舊鋰離子電池中的六氟磷酸鋰(LiPF6)會(huì)與空氣中的水分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成含有劇毒的氟化氫(HF)。此外,廢舊鋰離子電池的外包裝屬于塑料垃圾,也會(huì)污染環(huán)境。

2.2 回收利用現(xiàn)狀

廢舊鋰離子電池中含有豐富的鎳、鈷、錳和鋰等金屬元素,具有極高的回收價(jià)值。合理回收利用廢舊鋰離子電池,不僅可以保護(hù)環(huán)境和人體健康,還可以節(jié)約大量礦產(chǎn)資源。我國(guó)廢舊鋰離子電池的回收現(xiàn)狀不容樂觀:①回收率低。有關(guān)數(shù)據(jù)顯示,2018 年,我國(guó)廢舊動(dòng)力電池(磷酸鐵鋰、三元材料鋰離子電池)的回收量只有5 472 t,僅占報(bào)廢動(dòng)力電池總量的7.4%。②回收技術(shù)水平較低。目前,回收廢舊鋰離子電池的技術(shù)較多,但是每種技術(shù)都存在缺陷,如物理回收法提取的產(chǎn)品純度低、附加值低;化學(xué)法雖然回收效果較好,但是成本較高。

3 廢舊鋰離子電池中三元材料回收利用

高鎳三元材料LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2(NCM622)的比能量較高,成本較低,是鋰離子電池的主要正極材料,合成方法主要有共沉淀法、溶膠-凝膠法、燃燒法和噴霧干燥法等。共沉淀法是目前常用的合成高鎳正極材料的方法,可以較好地控制形狀,且前驅(qū)體各過渡金屬組分分布均勻。這種合成方法難度較高,需嚴(yán)格控制各種條件,且合成過程中會(huì)產(chǎn)生污水,造成二次污染。

廢舊三元鋰離子電池的回收利用是為了再生NCM622正極材料,回收流程主要包括預(yù)處理、酸浸、沉淀、補(bǔ)鋰和包覆改性等,如圖1 所示。

圖1 廢舊鋰離子電池中三元材料回收利用流程圖

預(yù)處理一般利用NaOH 與Al 反應(yīng)生成H2和NaAlO2,將活性物質(zhì)剝離下來。酸浸通常是用酸將金屬轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的金屬離子,并轉(zhuǎn)入到浸出液中。沉淀是指向浸出液中加入沉淀劑,如碳酸鹽、氫氧化物、草酸鹽等,經(jīng)緩慢的沉淀反應(yīng)后,得到正極材料的前驅(qū)體。正極補(bǔ)鋰工藝是在正極勻漿的過程中,向其中添加少量的高容量補(bǔ)鋰添加劑,在充電的過程中,多余的Li 元素從這些高容量正極材料脫出,嵌入到負(fù)極中,補(bǔ)充首次充放電的不可逆容量,補(bǔ)鋰可以提高鋰離子電池的容量。對(duì)三元鎳鈷錳正極材料進(jìn)行包覆修飾,可抑制材料與電解液之間的副反應(yīng)發(fā)生,提高材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

4 廢舊鋰離子電池中磷酸鐵鋰材料回收利用

磷酸鐵鋰鋰離子電池具有較高的安全性,且成本較低,使用范圍較廣。常用的廢舊磷酸鐵鋰鋰離子電池回收方法有固相法、酸浸-沉淀法、噴霧再生法等。

固相法是經(jīng)過元素分析后,向廢舊的磷酸鐵鋰鋰離子電池正極材料中補(bǔ)加適量的鋰和碳,之后利用惰性氣體進(jìn)行高溫煅燒,最終得到再生LiFePO4/C。固相法回收操作簡(jiǎn)單、成本較低、能耗低,適用于大規(guī)?；厥绽昧姿徼F鋰鋰離子電池,但再生的LiFePO4/C 化學(xué)性能較差。

酸浸-沉淀法是用鹽酸、硫酸等溶液浸泡廢舊磷酸鐵鋰鋰離子電池,得到鋰離子、鐵離子和亞鐵離子等,之后在溶劑中加入適量的沉淀劑,將上述離子沉淀出來,最后將不同的離子分別回收。酸浸-沉淀法回收的產(chǎn)品純度高,Li+回收量大,但是回收流程較長(zhǎng),操作較為復(fù)雜,成本也相對(duì)較高,且酸浸的過程會(huì)產(chǎn)生污水,可能導(dǎo)致二次污染。

5 廢舊鋰離子電池中鈷酸鋰材料回收利用

鈷酸鋰鋰離子電池結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、電壓平穩(wěn)、容量較大,但安全性較低、成本較高,通常用于手機(jī)、筆記本電腦等設(shè)備。鈷酸鋰鋰離子電池中含有豐富的鈷資源,實(shí)現(xiàn)廢舊鈷酸鋰鋰離子電池的回收利用,有利于緩解我國(guó)鈷資源緊張的現(xiàn)狀。

常用的廢舊鈷酸鋰鋰離子電池回收方法有火法回收、濕法回收和材料再生法等3 種。火法回收通過高溫?zé)峤獾姆绞?以金屬及化合物的形式回收金屬元素,操作簡(jiǎn)單、回收效率高,但能耗大,污染程度較高。濕法回收是將廢舊鈷酸鋰鋰離子電池浸泡在化學(xué)溶液中,選擇性分離出金屬離子,回收效率高、回收產(chǎn)品附加值高、金屬選擇性大。材料再生法是將廢舊鈷酸鋰鋰離子電池的正極材料作為原材料,通過一系列物理化學(xué)處理得到可再次利用的電池原材料。材料再生法又可分為直接再生法和間接再生法,其中,直接再生法是將廢舊鈷酸鋰鋰離子電池正極材料粉末直接熱處理,得到具有活性的再生鈷酸鋰材料;間接再生法是將廢舊鈷酸鋰鋰離子電池正極材料溶于酸中,通過加入沉淀劑、調(diào)整pH 值的方式,得到相應(yīng)的金屬鹽或凝膠,再利用金屬鹽或凝膠合成鈷酸鋰材料。再生法可實(shí)現(xiàn)材料閉環(huán)回收,不會(huì)產(chǎn)生額外污染問題,且產(chǎn)品回收率和附加值較高,應(yīng)用前景較廣闊。

6 結(jié)語

《廢舊鋰離子電池再生利用新技術(shù)》以三元材料、鈷酸鋰、磷酸鐵鋰等類型廢舊鋰離子電池的濕法回收、短程回收為主線,系統(tǒng)介紹了廢舊鋰離子電池回收利用過程,融合了新能源、冶金工程、環(huán)境科學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域的理論知識(shí),具有較高的學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值。該書理論結(jié)合實(shí)際,層次清晰,邏輯嚴(yán)謹(jǐn),內(nèi)容循序漸進(jìn),實(shí)用性強(qiáng),可供金屬資源回收及廢舊鋰離子電池資源化利用等相關(guān)的工程技術(shù)人員閱讀,也可供大專院校有關(guān)專業(yè)師生參考。

書名:廢舊鋰離子電池再生利用新技術(shù)

作者:董鵬等 編著

ISBN:9787502488758

出版社:冶金工業(yè)出版社

出版時(shí)間:2022-03-01

定價(jià):￥89.00 元