新能源汽車廢舊電池回收與污染防治措施探究

摘要：電池作為新能源汽車中最核心的部分，約占整車總成本的30%。隨著新能源汽車行業(yè)的發(fā)展，其對電池的需求量也在持續(xù)高速增長，相應的電池回收需求也大幅提升。由于廢舊電池中存在重金屬、氟化物、有機溶劑和塑料薄膜等毒性污染物，對環(huán)境的影響極大，且治理費用高昂，因此對新能源汽車的電池回收及污染情況進行分析，并制定有效措施解決污染問題至關重要。

關鍵詞：新能源汽車；廢舊電池；回收；污染防治

引言

電池是一種重要的儲能設備，廣泛應用于各種領域，如家庭電子設備、汽車、航空航天等。然而，廢舊電池處理過程中會產生大量的廢棄物和有害物質，對環(huán)境和人類健康造成不可忽視的影響。隨著新能源汽車的快速普及和電動化趨勢的加速，電池需求量不斷增長，廢舊電池的處理和回收也成為了一個嚴峻的問題。我國于2017年實施《鋰離子電池材料廢棄物回收利用的處理方法》（GB/T 33059-2016），雖然可對廢舊鋰電池進行回收，但回收效率不高，且會造成環(huán)境的二次污染。近幾年各大電池廠商均在電池回收方面進行了布局，建設了中試或試生產裝置，在此基礎上對電池回收及其污染進行深入探討研究可促進廢舊電池回收行業(yè)更好地發(fā)展。

1新能源汽車廢舊電池回收再利用概述

根據現(xiàn)階段的國家規(guī)定，新能源汽車電池的報廢標準是電池容量衰減至80%以下且無法修復。我國新能源汽車電池均以電池包的形式進行單獨或組合裝配，電池包由若干個特定的模組組成，模組又由若干個特定的電芯組成，這種情況下如將剩余近80%的能量全部丟棄，會是一種巨大的浪費。因此，可根據電池剩余能量的具體情況，分類后進行梯次利用，如應用在低速電動車或電池儲能系統(tǒng)。

2新能源汽車廢舊電池回收工藝

新能源汽車廢舊電池主要有三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池、錳酸鋰電池等，這些電池含有數(shù)量不等的塑料、銅、鋁、鐵、鎳、鈷、錳、石墨、隔膜、電解液、添加劑等物質，需在回收后根據實際情況進行處理，既要避免浪費，又要避免對土壤、水源和大氣等環(huán)境造成污染?，F(xiàn)階段采用的電池回收方式主要有物理回收（梯次利用）、干（火）法回收、濕法回收等[1]。

2.1 物理回收（梯次利用）

物理回收（梯次利用）主要包括以下工藝單元。對退役電池包進行外觀、絕緣檢查，通過除塵、拆蓋、放電柜進行放電及排液，電池包整體周轉；電池包上線掃碼；上線前檢測電池包絕緣安全性及外觀完整性，并檢查動力電池狀態(tài)監(jiān)測和顯示功能設備是否拆卸及斷電；掃電池包條碼并將相關信息上傳至國家電池包溯源系統(tǒng)；拆上蓋螺絲并夾取電池包上蓋及下線；拆除銅排螺絲及銅排，拆除/斷開總正及總負電源線、電池保姆或電池管家系統(tǒng)、電氣開關、模組線束、模組螺絲等；吊取模組，拆除模組上蓋、內部線束；模組進入削加工中心，去除模組中的匯流排焊接點；支解模組，取出單體電芯；電芯電壓及電量測定；單體電芯掃碼；電芯放電。

2.2 干（火）法回收

干（火）法回收主要包括以下技術流程。將廢舊電池放電后拆解為電芯；電芯可存儲或經吊運裝入電芯給料機料倉，再通過皮帶輸送機送入一級破碎工段（該工段需要通入氮氣以防止電芯起火）；破碎后的電芯粉料采用電或天然氣進行高溫熱解處理，產生的尾氣通過850～1100℃二次燃燒，將有機物轉化為水和二氧化碳后排放；破碎后的電芯物料進入碳化熱解爐進行熱解；熱解后的物料分別經過滾筒篩、重力分選、除磁機、直線篩、圓盤篩、銅鋁分選機；最終得到銅粒、鋁粒、黑粉。

2.3 濕法回收

濕法回收是指將干（火）法回收后的篩分料（如黑粉）溶于強酸及氧化物后，通過化學沉淀、吸附、離子交換等方法，將可利用的金屬元素以硫酸鹽或碳酸鹽的產品形式分離出來[2]。濕法回收過程主要包括打漿反應系統(tǒng)、浸出反應系統(tǒng)、除雜系統(tǒng)、凈化系統(tǒng)（萃?。?、蒸發(fā)結晶、干燥、粉碎、混合包裝系統(tǒng)，最終可以得到硫酸錳、硫酸鎳、硫酸鈷、碳酸鋰、硫酸鈉等晶體物質。

2.4 小結

上述3種回收方式中，物理回收（梯次利用）的投資成本最低，干（火）法回收和濕法回收的投資較大，且存在較高的污染及處理成本。同時，現(xiàn)階段的電池回收技術尚不成熟。對物理回收（梯次利用）來說，由于不同電池廠家生產的電池包規(guī)格型號不同，因此需要大量人工拆解，若要降低拆解的人工成本，就需加強拆解的智能化水平；對干（火）法回收或濕法回收來講，需要提高各種元素分離和提純的技術水平，完善對回收過程中污染的治理措施。

3 新能源汽車廢舊電池回收過程中的污染分析

3.1 廢舊電池拆解和破碎過程中的污染

在廢舊電池拆解過程中，電池包或模組的外殼（如鋁殼、鋼殼、塑料殼）都是固體廢棄物，可以回收利用；電池包中的冷卻液可能存在由電解液泄露造成的污染，不過該污染程度較低；電芯放電過程中泄漏的廢液[2]會污染用于放電的電解液，并生成有毒有害物質，從而對水環(huán)境造成不同程度的毒性危害[3]。

廢舊電芯在破碎過程中，需要保持絕氧或缺氧的環(huán)境以避免火災，通常采取的安全手段為通入氮氣。同時，破碎的物料在設備間的轉輸過程中可能會有電解液、極粉泄漏，從而產生含有機物、粉塵的廢氣。另外，破碎的物料在熱解爐中進行熱解時，其中的粘結劑、電解液、隔膜等會形成大量廢氣，該廢氣含有大量的氟、磷、有機物等，屬于高污染廢氣。

電芯破碎工藝可采用帶電破碎或不帶電破碎，而電芯的電壓范圍較大，一般在3.2～4.2V之間。帶電破碎時，為避免在破碎過程中產生過量的熱而造成設備損壞，應在破碎前對電芯的電壓和電量進行檢測，若電壓低于3.0V可直接帶電破碎，不然則應采取物理或化學鹽水放電，同時在破碎過程中采用氮氣保護設施并監(jiān)測氧含量。不帶電破碎時，需先采用物理放電或放電池設施，物理放電要對余電進行利用和對放電過程中產生的余熱進行處理，但現(xiàn)階段還沒有行之有效的方法可實現(xiàn)余電和余熱的合理利用；而采用放電鹽水在放電池中進行放電時，會產生大量的有機廢氣及廢水[2]。放電產生的有機廢氣中VOC含量高，且含有大量有機電解液、粘結劑和添加劑氣體；放電產生的廢水中含大量鹽和有機物。破碎后的電芯粉料在炭化爐中以220～400℃的溫度進行熱解，有機物被熱解氣化。熱解產生的尾氣從炭化爐頭部引至有機廢氣處理系統(tǒng)進行處理，由于尾氣中包含VOCs、氟化物，因此采用天然氣或電加熱至850℃后再以布袋除塵、噴淋、活性炭的工藝進行處理。

3.2 廢舊電池再處理過程中的污染

根據廢舊電池正極材料的不同，可將干（火）法處理產出的粉料分為三元黑粉和磷酸鐵鋰黑粉，2種黑粉的主要成分不同、處理工藝不同，因此產生的污染物也不一樣。三元黑粉中含有大量重金屬元素，如銅、錳、鎳、鈷等；而磷酸鐵鋰黑粉中理論上不含上述重金屬元素。濕法處理中產生的污染包括廢氣、廢水和廢渣污染。廢氣污染主要有打漿過程中的粉塵污染、投加酸或氧化劑時的氣體污染、加熱時的蒸汽污染、萃取過程中的溶劑或萃取劑揮發(fā)氣體污染、蒸發(fā)結晶過程中的不凝氣污染等；廢水污染主要有萃取皂化液、反萃液、反鐵液、萃雜液、萃取劑再生廢液、噴淋廢水、蒸發(fā)母液等；廢渣污染主要有浸出工段后壓濾的負極石墨渣、凈化除雜產生的沉淀過濾渣等。

4新能源汽車廢舊電池回收過程中的污染防治措施

首先要提升廢舊電池的回收效率，防止廢舊電池擴散；其次要改進回收技術，降低成本，擴大梯次利用市場[4]；最后要從廢氣、廢水、廢渣3個方面加強廢舊電池回收過程中的污染治理。

4.1 廢氣污染防治措施

破碎和炭化熱解過程會產生大量廢氣，該廢氣中含有粉塵、VOCs、氟化氫等污染物。廢氣溫度高，可先通過旋風除塵去除大顆粒的粉塵，再通過高溫袋式過濾去除小顆粒的粉塵，然后通過催化燃燒或二次焚燒去除VOCs，最后通過冷卻和堿洗去除氟化氫，從而使該廢氣達標排放。

廢舊電池中的鎳、銅、鈷等有色金屬元素主要以萃取的方式進行回收，回收過程中產生的揮發(fā)性廢氣主要包括白油（俗稱磺化煤油）和萃取劑（P204、P507、P272）等有機物。以上幾類有機物在常溫下的揮發(fā)性較小，但若不加以處理也會對室內空氣造成污染，甚至引起操作人員中毒，因此必須進行收集并治理。鑒于廢氣中的這幾類有機物具有沸點高、易與堿反應的特點，可采用堿洗噴淋和水噴淋的方式進行處理。

4.2 廢水污染防治措施

放電過程產生的廢水中鹽含量高，有機物污染濃度高、色度大，可先通過高級氧化（Fenton氧化、濕式氧化等方法）去除廢水中的有機污染物，再通過蒸發(fā)結晶得到氯化鈉或硫酸鈉固體副產品，該廢水經凈化后可直接回用于放電水池[2]。

在熱解過程中，電芯粉料中的有機物經焚燒成為無污染的二氧化碳和水，而其中的氟化物變?yōu)榉瘹溥M入噴淋水中，形成含氟化氫的廢水（含氟廢水）。含氟廢水可先加入鈣鹽使氟離子形成氟化鈣沉淀，再壓濾形成氟化鈣固體副產品；壓濾后的水可繼續(xù)用于噴淋水補水。

萃取過程產生的各類廢水中，含油量高達500～1000mg/L，COD高達20000～30000mg/L，

含鹽量高達150000mg/L，且含有一定量的重金屬離子，屬于高COD、高鹽、難降解的廢水。對于該廢水，現(xiàn)階段通常采用的處理措施是先通過pH調整去除廢水中的重金屬離子；再通過除油裝置去除水中的油同時去除部分COD；然后通過電催化氧化或其它高級氧化法[5]深度處理剩余COD，接著進入MVR蒸發(fā)器系統(tǒng)進行蒸發(fā)結晶，并回收得到碳酸鋰、硫酸鈉等副產品；最后將蒸餾水經反滲透處理后作為純水使用。

4.3 廢渣污染防治措施

電池回收過程中產生的固體廢物主要有廢石墨、廢塑料、銅粒、鋁粒等。在傳統(tǒng)的廢舊鋰電池回收中，負極石墨直接作為冶金過程中的還原劑被燒掉[6]；廢塑料、銅粒、鋁?？勺鳛橛袃r材料加以回收。雖然回收廢石墨材料也能產生一定經濟效益，但相關技術大多處于研究階段，大規(guī)模應用仍然面臨諸多困難。同時，石墨儲量豐富、價格低廉，回收收益不大，且回收的石墨需要進一步提純，過程中會產生額外的廢水、廢氣、廢渣和能源消耗。因此，針對電池中的石墨回收還需進一步開發(fā)環(huán)保、高效、低成本的方法。

結語

廢舊電池的回收利用與污染防治是社會發(fā)展過程中必須面對的問題，目前電池回收還處于初期階段，將來隨著回收高峰期的來臨，更加需要有針對性地、深入地開展相關研究和探索，尋找合適的電池回收途徑，提升回收效率，減少環(huán)境污染，降低污染治理成本。從長期來看，不但電池回收企業(yè)應建立標準化的制度和體系，而且電池生產企業(yè)應將梯次利用的理念和標準注入到生產工藝當中。強化電池編碼和溯源制度，提高回收效率；吸收并總結先進經驗，優(yōu)化回收體系，健全再利用機制，共同促進新能源汽車電池行業(yè)的良性發(fā)展。

參考文獻

[1] 楊湘政，張東方，饒冰青，等.新能源汽車電池回收行業(yè)污染防治措施[J].化工管理， 2023（10）：82-84.

[2] 鐘雪虎，焦芬，劉桐，等.廢舊鋰離子電池回收工藝概述[J].電池，2018（01）：63-67.

[3] 劉肖貝，張西華，熊梅，等.退役鋰電池放電廢水特征有機污染物解析[J].化工進展，2022（10）：5619-5629.

[4] 張皓東.新能源汽車電池回收行業(yè)污染探究與防治措施[J].時代汽車，2022（15）：118-120.

[5] 陳嵩，李強，陳若葵，等.電芬頓法降解廢舊鋰電池放電廢水COD研究[J].水處理技術， 2021（09）：49-51.

[6] MORADI B，BOTTE G G.Recycling of Graphite Anodes for the Next Generation of Lithium ion Bbatteries[J].Journal of Applied Electrochemistry，2016，46（02）：123-148.

作者簡介

楊湘政（1981—），男，漢族，湖南常德人，工程師，碩士，研究方向為水處理與廢物資源化。