對(duì)廢舊鋰離子電池中金屬材料進(jìn)行回收，既保護(hù)環(huán)境又具有良好的經(jīng)濟(jì)前景。綜述了當(dāng)前鋰離子電池中金屬材料回收的技術(shù)流程，包括電池預(yù)處理、電池材料分選、金屬富集及金屬分離提純4個(gè)步驟，每一步驟都包含多種處理方法。分析了每種方法的發(fā)展情況、優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用范圍，在實(shí)際操作中需將多種方法結(jié)合起來(lái)以獲得更好的處理效果。鋰離子電池中金屬回收技術(shù)發(fā)展較成熟，在4種常見(jiàn)鋰離子電池（鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池、鎳鈷錳酸鋰電池及磷酸鐵鋰電池）回收方面有大量應(yīng)用。對(duì)廢舊鋰離子電池中金屬回收經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，結(jié)果表明，鈷酸鋰和三元系電池具有較高的回收效益，而錳酸鋰和磷酸鐵鋰電池的回收效益較差。需加強(qiáng)對(duì)鋰離子電池回收技術(shù)的研究，降低成本，提高資源利用率，形成綠色環(huán)保、經(jīng)濟(jì)效益好的鋰離子電池“生產(chǎn)-銷售-回收-再生產(chǎn)”的循環(huán)利用體系。

      近年來(lái)，在能源和環(huán)境危機(jī)的推動(dòng)下，伴隨著新能源汽車的飛速發(fā)展和推廣，帶來(lái)了規(guī)模龐大的鋰離子電池需求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球鋰離子電池消費(fèi)量從2000年的5億只迅速上升到2015年的70億只[1-2]。由于鋰離子電池使用壽命一般在3～5年，所以廢舊鋰離子電池?cái)?shù)量也在逐年急劇增加，預(yù)測(cè)到2020年，僅我國(guó)廢舊鋰離子電池?cái)?shù)量將會(huì)達(dá)到250億只，總重50萬(wàn)噸[3]。這些廢舊電池若被隨意丟棄，不僅會(huì)給環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重污染，而且還造成大量的資源浪費(fèi)。因此，對(duì)廢舊鋰離子電池進(jìn)行無(wú)害化處理并對(duì)其中的資源進(jìn)行回收再利用具有十分重要的意義，引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。其中，對(duì)廢舊鋰離子電池中金屬材料的回收更是被格外重視，已成為研究的熱點(diǎn)。

 

 

重點(diǎn)內(nèi)容導(dǎo)讀

1  鋰離子電池中金屬材料回收的意義

1.1  環(huán)境保護(hù)方面的意義

       鋰離子電池由于不含鉛、鎘、汞等重金屬而被認(rèn)為是綠色電池，但廢舊鋰離子電池材料對(duì)環(huán)境和人體健康仍有嚴(yán)重的不利影響。表1列出了鋰離子電池主要成分的化學(xué)特性和潛在的危害性。

表1  廢舊鋰離子電池中常用組成材料的主要化學(xué)特性和潛在環(huán)境污染

 

1.2  經(jīng)濟(jì)效益方面的意義

      廢舊鋰離子電池被稱為“廢棄的資源庫(kù)”，表2列出了幾種常見(jiàn)鋰離子電池中主要金屬的含量。

表2  各類鋰離子電池中主要金屬所占比重

 

我國(guó)從2008年起大力推廣新能源汽車，到2014年市場(chǎng)規(guī)模急劇擴(kuò)張，如圖1所示。

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)

圖1  2008—2017年5月我國(guó)新能源汽車

產(chǎn)銷量

2  廢舊鋰離子電池中金屬材料回收技術(shù)

      鋰離子電池由外殼和內(nèi)部電芯組成，其中，電芯由正極、負(fù)極、隔膜、集流體和電解液構(gòu)成，具體成份如表3所示。

表3  鋰離子電池主要結(jié)構(gòu)及組成

 

圖2列出了廢舊鋰離子電池中金屬材料回收的技術(shù)工藝流程

 

 

圖2  廢舊鋰離子電池中金屬材料回收示意圖

2.1  電池預(yù)處理技術(shù)

      廢舊鋰離子電池中通常含有部分殘留電量，如果拆解不當(dāng)，極易引發(fā)火災(zāi)、爆炸等事故。因此，在金屬材料回收過(guò)程中，首先需對(duì)廢舊電池進(jìn)行放電或失活等預(yù)處理操作，為下一步的處理提供安全條件，主要方法有NaCl溶液浸泡法和低溫冷凍法。

2.1.1  NaCl溶液浸泡法

2.1.2  低溫冷凍法

2.2  金屬材料分選技術(shù)

      將放電后的電池進(jìn)行拆解破碎及篩選分離，初步分選出含有金屬的材料，此過(guò)程中采用的方法包括機(jī)械分離法、熱處理法、溶劑溶解法、堿液溶解法及手工拆解法。

2.2.1  機(jī)械分離法

2.2.2  熱處理方法

2.2.3  溶劑溶解法

2.2.4  堿液溶解法

2.2.5  手工拆解法

2.3  金屬材料富集技術(shù)

       為了更好地分離回收金屬，還需要對(duì)電極材料進(jìn)行選擇性提取富集，主要采用酸浸出和生物浸出等方法。

2.3.1  酸浸出

2.3.2  生物浸出

2.3.3  其它富集方法

2.4  金屬材料分離技術(shù)

       經(jīng)過(guò)前面的處理過(guò)程，金屬外殼及大部分的銅、鋁已被分離，重點(diǎn)回收的鈷、鋰、鎳、錳等金屬均以離子形式存在于浸出液中，需通過(guò)進(jìn)一步的深度處理，進(jìn)行徹底的分離、提純并回收，一般采取溶劑萃取法、化學(xué)沉淀法、電化學(xué)沉積法等。

2.4.1  溶劑萃取法

圖3顯示了不同萃取劑分步分離銅、鋁、鋰和鈷的工藝。

 

2.4.2  化學(xué)沉淀法

2.4.3  電化學(xué)沉積法及其它方法

3  幾種常見(jiàn)廢舊鋰離子電池中金屬材料的回收

3.1  鈷酸鋰電池

3.2  鎳鈷錳酸鋰三元電池

3.3  錳酸鋰電池

3.4  磷酸鐵鋰電池

4  鋰離子電池中金屬材料回收的經(jīng)濟(jì)性分析

       鋰離子電池中金屬材料回收的經(jīng)濟(jì)性可通過(guò)下列公式體現(xiàn)：利潤(rùn)＝回收收入－生產(chǎn)成本－其它成本－稅費(fèi)。其中，廢舊電池回收及再資源化過(guò)程中的生產(chǎn)成本由以下幾個(gè)部分組成。