有關(guān)廢舊鋰電池正極材料的回收技術(shù)探究

＊王 冰

（江西萬載工業(yè)園區(qū)管理委員會(huì) 江西 336100）

1.鋰電池的組成與工作原理

(1)鋰電池的組成

鋰離子電池主要由五大部分構(gòu)成，分別是正極、負(fù)極、隔膜層、電解液和粘連劑，其中正極材料的核心構(gòu)成是活性物質(zhì)，主要有LiFePO4、LiNiO2、LiMn2O4、LiCoO2以及三元材料等；負(fù)極中含有銅箔，其主要材料有石墨、中間相碳微球、石油焦和碳纖維；隔膜層材料通常是PE（聚乙烯）和PP（聚丙烯）膜；電解液是一種通過溶解或凝膠形式存在的鋰鹽溶液，包括碳酸二甲酯（DMC）。碳酸乙烯酯（EC）等有機(jī)溶劑和LiPF6、LiCIO4、LiBF4等電解質(zhì)；粘連劑通常使用聚偏氟乙烯（PVDF）、聚四氟乙烯（PTEE）等材料。鋰電池各部分組成架構(gòu)如圖1所示。

(2)鋰電池的工作原理

鋰電池的工作過程就是一種基于鋰離子在正負(fù)極材料之間的遷移和化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)電能的存儲(chǔ)和釋放，詳見圖2。

圖2 鋰電池的工作原理

當(dāng)鋰電池處于充電狀態(tài)時(shí)，外部電源施加正向電壓，使得正極材料中的鋰離子脫嵌（即離開正極），經(jīng)過電解質(zhì)傳導(dǎo)到負(fù)極。同時(shí)，負(fù)極材料中的鋰離子接受電子，通過電解質(zhì)傳導(dǎo)至正極，完成電荷傳遞過程。這個(gè)過程稱為充電。

當(dāng)鋰電池處于放電狀態(tài)時(shí)，電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)逆轉(zhuǎn)。負(fù)極材料脫除電子，并將鋰離子釋放到電解質(zhì)中，通過電解質(zhì)傳導(dǎo)至正極。正極接收到鋰離子并與電子結(jié)合，形成化合物。這個(gè)過程會(huì)釋放出電能，從而驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備工作。

2.廢舊鋰電池正極材料的回收價(jià)值

正常情況下，退役的動(dòng)力電池會(huì)進(jìn)行梯度利用，報(bào)廢的電池則進(jìn)行拆解回收。鋰電池的回收一般包括電池外殼的拆分、正負(fù)極片與正負(fù)極材料的分離、正負(fù)極材料的回收利用。其中正極材料的市場(chǎng)容量最大、附加值最高，也是整個(gè)鋰電池的主要構(gòu)成部分，占鋰電池成本超過30%，因此屬于重點(diǎn)回收部分[1]。結(jié)合經(jīng)濟(jì)、環(huán)境及資源等多方因素來看，廢舊鋰電池正極材料的回收具有以下重要價(jià)值：

（1）節(jié)約保護(hù)能源資源。鋰電池正極材料中常用的鋰、鈷、鎳等金屬元素，來自對(duì)相關(guān)有色金屬礦的開發(fā)和提煉，它們屬于寶貴的自然資源，其資源總量是有限的，人類當(dāng)前的開發(fā)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了礦產(chǎn)資源的形成速度，無限制開發(fā)終有一天會(huì)枯竭。通過回收廢舊鋰電池正極材料，可以進(jìn)行新鋰電池和相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)有色金屬資源的最大化利用，這就有助于降低對(duì)原礦石的依賴，減少對(duì)金屬礦產(chǎn)資源的開發(fā)破壞和節(jié)省能源消耗。

（2）創(chuàng)造更高經(jīng)濟(jì)價(jià)值。廢舊鋰電池正極材料回收可以促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。循環(huán)經(jīng)濟(jì)的核心理念是將廢棄物轉(zhuǎn)化為資源，廢舊鋰電池正極材料中含有鋰、鈷、鎳等多種金屬元素，這些金屬可以重新提煉和用于制造新的電池材料及其他產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用，可以降低資源開發(fā)和新電池生產(chǎn)的成本投入，提供經(jīng)濟(jì)效益。因此具有較高的回收再利用價(jià)值，其回收毛利率低則15%，高則70%。另外，回收利用廢舊鋰電池正極材料符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)的原則，可以有效地延長(zhǎng)資源的使用壽命，減少?gòu)U棄物的產(chǎn)生。

（3）減輕生態(tài)環(huán)境破壞?；厥諒U舊鋰電池正極材料可以減少環(huán)境污染。廢舊電池正極材料中含有多種有害物質(zhì)，如重金屬和有機(jī)溶劑。如果這些材料被直接丟棄或不當(dāng)處理，可能會(huì)對(duì)土壤和水源造成嚴(yán)重污染。通過回收利用，可以集中處理這些有害物質(zhì)，減少環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和健康風(fēng)險(xiǎn)，有利于維護(hù)生態(tài)秩序。

3.廢舊鋰電池正極材料的回收技術(shù)

廢舊鋰電池正極材料的回收技術(shù)主要包括干法、濕法和生物法。這些技術(shù)各有優(yōu)缺（見表1所示），可以根據(jù)廢舊鋰電池的具體情況選擇合適的回收方法。

表1 三種脫硫工藝的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

（1）干法回收技術(shù)。廢舊鋰電池正極材料的干法回收技術(shù)是一種通過物理和化學(xué)方法將廢舊鋰電池正極材料中的有用物質(zhì)分離出來的先進(jìn)技術(shù)。該技術(shù)的核心步驟是對(duì)廢舊鋰電池正極材料進(jìn)行高溫爐熱解或焙燒處理，將其分解為不同的組分。在高溫環(huán)境中，原本復(fù)雜的正極材料會(huì)發(fā)生熱解反應(yīng)，使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而方便后續(xù)的分離工作。此過程中，廢舊鋰電池正極材料中的有機(jī)膠凝劑和聚合物基質(zhì)會(huì)被分解，而金屬氧化物、鋰鹽等有價(jià)值的成分則保持相對(duì)穩(wěn)定[2]。隨后，利用物理手段對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行分離。其中，磁選技術(shù)可以通過磁性差異將含有磁性材料的部分分離出來。由于廢舊鋰電池正極材料中常含有鐵、鈷等磁性金屬元素，通過對(duì)這些成分進(jìn)行磁選，可以有效地將其分離出來。也可以使用重力分離技術(shù)，該方法通過不同材料的密度差異，使其在重力作用下分層沉淀，從而實(shí)現(xiàn)分離。

干法回收技術(shù)具有高效、節(jié)能的特點(diǎn)，能夠有效分離出廢舊鋰電池正極材料中的有用金屬和化合物。相比于傳統(tǒng)的濕法回收技術(shù)，干法回收技術(shù)無需使用大量的溶劑和水資源，在處理過程中減少了環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)。此外，以高溫爐熱解或焙燒為核心的干法回收技術(shù)還具備較高的自動(dòng)化程度，提升了回收效率，并且適用于大規(guī)模生產(chǎn)。然而，廢舊鋰電池正極材料的干法回收技術(shù)仍然面臨一些挑戰(zhàn)。一是廢舊鋰電池正極材料的復(fù)雜組分使得分解及后續(xù)分離工作變得復(fù)雜且耗時(shí)；二是廢舊鋰電池正極材料中的有毒、有害物質(zhì)也需要進(jìn)行安全處理，以防止對(duì)環(huán)境和人體造成潛在危害。因此，在推廣應(yīng)用該技術(shù)時(shí)，還需要進(jìn)一步研究和完善相關(guān)的廢棄物處理和環(huán)保政策。

（2）濕法回收技術(shù)。廢舊鋰電池正極材料中含有一定比例的有價(jià)值的金屬和化合物，如鋰、鎳、鈷等，通過濕法回收技術(shù)可以將這些有用物質(zhì)提取出來，實(shí)現(xiàn)資源的再利用。

首先，濕法回收技術(shù)的關(guān)鍵是選擇合適的溶劑。對(duì)于廢舊鋰電池正極材料中的金屬和化合物，不同的溶劑具有不同的溶解能力。因此，在進(jìn)行回收過程中，需要選取適合溶解目標(biāo)物質(zhì)的溶劑，以確保有用物質(zhì)可以充分溶解。其次，濕法回收技術(shù)需要通過調(diào)節(jié)溶液的pH值來控制有用物質(zhì)的沉淀。根據(jù)不同金屬和化合物的溶解性規(guī)律，通過改變?nèi)芤旱乃釅A性，可以使目標(biāo)物質(zhì)在一定的條件下發(fā)生沉淀反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)分離和提取的目的。同時(shí)，濕法回收技術(shù)還可以通過調(diào)節(jié)溶液的溫度來影響有用物質(zhì)的溶解和沉淀行為。通常情況下，提高溶液的溫度可以加快目標(biāo)物質(zhì)的溶解速度，使其充分溶解。而降低溶液的溫度，則有利于目標(biāo)物質(zhì)的沉淀和分離。因此，在回收過程中需要根據(jù)具體情況進(jìn)行溫度的控制，以達(dá)到最佳的回收效果[3]。另外，濕法回收技術(shù)在回收過程中還可以添加適當(dāng)?shù)某恋韯约铀儆杏梦镔|(zhì)的沉淀速度。通過與溶液中的目標(biāo)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，沉淀劑可以減少沉淀的時(shí)間，提高回收速度和效率。但是，在使用沉淀劑時(shí)也要注意避免對(duì)環(huán)境造成污染，并合理選擇和控制沉淀劑的用量。

（3）生物法回收技術(shù)。生物法回收技術(shù)是利用微生物或生物酶將廢舊鋰電池正極材料中的有用物質(zhì)轉(zhuǎn)化或分解。這種技術(shù)利用生物體的代謝能力和酶催化作用，可以高效地將廢舊鋰電池正極材料中的有機(jī)物和金屬離子轉(zhuǎn)化為有用的化合物。使用生物回收技術(shù)時(shí)需要遵循以下步驟：

首先，需要選擇適合的微生物或酶來進(jìn)行回收?？梢酝ㄟ^篩選和培養(yǎng)微生物菌株，或者利用重組DNA技術(shù)構(gòu)建具有特定功能的酶。這些微生物和酶應(yīng)具有高效的金屬離子吸附能力或有機(jī)物轉(zhuǎn)化能力[4]。其次，需要將廢舊鋰電池正極材料與選定的微生物或酶一起培養(yǎng)在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境條件下。這些環(huán)境條件包括溫度、pH值、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等。通過調(diào)控這些條件，可以使微生物或酶發(fā)揮其最佳的功能。在培養(yǎng)過程中，微生物或酶會(huì)與廢舊鋰電池正極材料中的有機(jī)物和金屬離子發(fā)生反應(yīng)。微生物的細(xì)胞表面或胞內(nèi)可以吸附金屬離子，通過酸處理或其他方法將金屬離子從微生物中提取出來。對(duì)于有機(jī)物，微生物通過代謝途徑將其轉(zhuǎn)化為其他化合物，例如，將有機(jī)溶劑轉(zhuǎn)化為無害的有機(jī)酸。最后，在完成相關(guān)反應(yīng)后，需要利用分離技術(shù)將微生物或酶與廢舊鋰電池正極材料進(jìn)行分離，分離后的微生物可以再次使用，進(jìn)行連續(xù)循環(huán)的回收過程。

生物法回收技術(shù)在廢舊鋰電池正極材料回收中具有廣闊的應(yīng)用前景。其優(yōu)勢(shì)包括高效、環(huán)境友好和資源可持續(xù)利用。通過利用微生物菌株和酶的活性和選擇性，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)廢舊鋰電池正極材料中有機(jī)物和金屬離子的高效轉(zhuǎn)化和分解。這種技術(shù)的應(yīng)用不僅可以減少?gòu)U物產(chǎn)生和處理成本，還可以為鋰電池產(chǎn)業(yè)提供更多的可再利用原料，推動(dòng)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。盡管生物法回收技術(shù)具有許多優(yōu)點(diǎn)，但也面臨一些挑戰(zhàn)和限制。例如，微生物的培養(yǎng)和維護(hù)需要較高的成本和精確控制地環(huán)境條件[5]。此外，微生物的生長(zhǎng)速度和酶的活性受到許多因素的影響，如溫度、pH值、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等。因此，為了實(shí)現(xiàn)生物法回收技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用，還需要進(jìn)一步的研究和改進(jìn)。

4.結(jié)語(yǔ)

鋰電池作為一種新型能源，是未來社會(huì)生產(chǎn)生活的重要支持，具有良好的發(fā)展前景。但鋰電池同樣面臨報(bào)廢后處置不當(dāng)帶來的環(huán)境污染、資源浪費(fèi)等系列問題?；厥绽檬亲罴训慕鉀Q途徑，其中又以正極材料的回收利用為主?，F(xiàn)有的回收技術(shù)中傳統(tǒng)的濕法和干法技術(shù)比較成熟，但工藝流程長(zhǎng)、浸出液凈化耗能高，而生物回收法耗酸低、重金屬溶出率高、成本效益好，但菌種的選擇與培養(yǎng)，浸出條件的控制等仍具有難度。在實(shí)際應(yīng)用中需要結(jié)合相關(guān)技術(shù)特點(diǎn)、廢舊鋰電池的特性和正極材料的回收要求等進(jìn)行綜合思考、合理選用，以達(dá)到最佳的回收利用效果。