车用动力电池回收拆解的安全与环境技术.docx

车用动力电池回收拆解的安全与环境技术余海军;张铜柱;刘媛;欧彦楠;谢英豪【摘 要】通过放电实验和拆解实验,研究动力电池回收拆解过程中存在的安全性影响因素和环境污染影响因素•动力电池经过放电后，电压反弹至3.1V,容量仍保持534 mAh.由于残余能量高拆解过程会产生高温，导致起火甚至发生爆炸，因此采用 液氮保护拆解•采用专用的设备进行拆解，以减少废气、废液、废渣等污染的排放，并 讨论了相应的环境控制技术.期刊名称】《工业安全与环保》年(卷),期】2014(040)003【总页数】4页(P77-79,92)关键词】 动力电池;拆解;安全;环境作 者】 余海军;张铜柱;刘媛;欧彦楠;谢英豪 【作者单位】 广东邦普循环科技有限公司 广东佛山528244;中国汽车技术研究中心天津300300;中国环境保护产业协会北京100037;广东邦普循环科技有限公司广东佛山528244;广东邦普循环科技有限公司 广东佛山528244正文语种】 中 文0 引言废旧动力锂离子电池在拆解的过程中，由于材料、残余电量的原因，在高温、压力电火花等因素下，可能引发电池的自燃甚至爆炸［1］特别是动力电池的容量较 大，自燃或爆炸对拆解人员和设备的安全将造成重大的威胁［2-4］。

另一方面， 拆解过程中会产生废气、废液、废渣等污染，资源化利用过程面临环境污染控制的 考验因此，对于动力电池回收利用而言，目前急需一种便捷、安全可靠的设备用于废旧 动力锂离子电池的拆解，而且防止造成二次污染1 实验1.1 材料和仪器所用Ca(0H)2、Na2CO3或NaOH试剂均为分析纯，ATL动力电池，实物图见图1 ，具体参数见表1自制动力电池拆解装备，BTS-9000新威高精度电池性能测试系统图1 动力电池实物表1动力电池参数信息项目参数厂家ATL标称电压/V 3.2标称容量/Wh 192编号 VOD5NO 060032002513 重量/kg 1.45 尺寸/mm 长x宽x厚：216x134x29 外壳铁合金电池类型IFP29/134/216电池1.2 实验方法本实验分为3 个主要步骤，依次是电性能检测及放电、动力电池拆解、环境污染废物处理1.2.1 电性能检测及放电本实验使用新威高精度电池性能测试系统(BTS)，设置放电参数如表2所示表2动力电池放电参数工步号工步名称时间/s电压/V电流/mA容量/mAh 1搁 置100 - - -2 恒流放电 1 000 - 2 000 -3 搁置 100 - - -4停止- - - -1.2.2 动力电池拆解本实验采用自制的动力电池拆解装备对动力电池进行拆解，如图2 所示。

基本实 验步骤如下:①把待切割的电池摆放在切割平台上，切割位置应与切割线对齐;②电 池放好后，启动固定气缸，夹紧电池;③合上保护罩，启动排风机与电机;④启动推 进装置，推动砂轮机移动，开始切割;⑤切割完成后砂轮机归位，关闭气缸和排风 机，打开保护罩取出切好的电池图2 拆解过程现场1.2.3 环境污染废物处理 本实验在拆解过程中会产生废气、废液和废渣，拆解后对这些污染物进行收集处理 污染物收集处理装置如图3 所示收集过程如下:(1) 动力电池拆解产生的废气从拆解舱上方连接抽吸机，将舱内气体转移至废气吸 收池，净化后气体从废气吸收池上方排出，经过吸附碳吸收气味，再排到空气中2) 动力电池拆解产生的废液从拆解舱下方引流，流至废液吸收罐，罐中溶液静置 后分层，上层为有机相，经上方抽吸机抽出收集;下层为水相，从罐的下方引流收 集3) 动力电池拆解产生的废渣会掉落到拆解舱下方的滤网，液体从滤网上滤出，废 渣堆积在滤网上，达到一定量时，可取出收集图3 污染物收集处理装置1—抽吸开关;2—动电分离室;3—动力电池;4—滤网;5— 有机相;6—水相;7—吸附炭;8—废气溶解室;9—碱液;10—废液容器2 结果与讨论2.1 电池放电测试分析 整个放电过程由电池放电检测装置控制，控制计算机通过开关输出模块(电池组)输 出放电的信号传至电池放电装置上的单个或模块或几组电池进行放电，每隔一定时 间间隔输出多路信号转换电池模块所需的控制信号，并定时采集每组电池的放电数 据，同时在计算机显示器上不断显示电池放电的测试结果。

放电的整个过程中，计 算机根据不同电池的放电规律要求自动控制放电时间，电池组放电完毕后，进行统 计并分析各种方式下电池的放电总时间，就能得知电池的电容量及其性能［5］ 本实验对动力电池进行检测，放电得出的结果如图4 所示图4 恒流放电的电压电流曲线由图4可知，电池初始电压为3.4 V,通过恒流放电，使电压降至2.7 V,静置1 000 s后，电压反弹至3.1 V说明通过恒流放电，电池电压降低存在极限，不能 达到非常低的电压水平此外，放电电流I为2 000 mA，放电时间t从第117 s 至1 052 s，即935 s根据公式⑴算得，电容量C为534 mAh式中，C表示电池容量，I表示放电电流，t表示放电时间2.2 动力电池拆解的安全性分析2.2.1 安全性影响因素的分析由2.1结果分析，动力电池经过放电后，电压仍高达3.1 V，容量仍保持534 mAh由于残余能量高，拆解过程容易产生高温当温度高于电池某些材料的自 燃点时，这些电池材料会首先起火，再点燃其他电池材料，发生起火、冒烟现象 当电池内部气体无法及时逸散时，甚至会发生爆炸同种材料因外界不同，自燃点也不同同种材料的自燃点一般高于其燃点［6］。

各种电池材料的燃点如表3所示由表3可见，电池材料中电解液燃点最低，为403 K，因此在动力电池拆解过程 中，温度应低于403 K表3各种电池材料的燃点物质正极活性物质导电剂石墨嵌锂碳隔膜(PE)隔膜(PP)电解液热力学温度/K 473 1 023 1 023 523 623 548 4032.2.2 动力电池拆解的安全技术 鉴于温度对动力电池拆解安全的影响，本文研究使用液氮降低拆解温度的方案方 案如下:①向拆解舱内通入氮气，排出空气;②使用液氮冷却动力电池，将动力电池 送入拆解舱内;③启动砂轮进行拆解，用与切割刀同步位移的液氮喷枪在磨削区注 入液氮，直至拆解结束液氮需求量可根据公式(2)计算:式中，r表示液氮需求量mN2与电池质量mB的比值;cB , cN2分别表示电池和 液氮的比热容；TB，TN2分别表示电池和液氮的起始温度;T表示电池最终温度根据2.2.1分析，电池最终温度T应低于403K，已知常用液氮温度TN2为77 K, 液氮的比热容cN2为1057.43 J/(kg・K)据文献及专利报道[7-9],砂轮磨削面 的温度TB可达1 173 K,电池的比热容cB为1 619 J/(kg・K)。

由式(2)可算得 r=3.62，每拆解1 kg动力电池，拆解过程至少需要3.62 kg液氮才能保证安全2.3 环境污染控制研究2.3.1 环境污染影响因素的分析 拆解动力电池过程主要产生废气、废液、废渣等污染3 类污染的产生原因见表 42.3.2 环境污染控制技术表4动力电池拆解的主要污染及产生原因序号污染原因1废气电解质常用LiPF6 , 易分解成PF5，有刺激性恶臭味，再生成HF，剧毒且有强腐蚀性电解液溶剂为有 机溶剂，容易挥发，有刺激性气味，对人体有害2废液废液主要来自电解液在动 力电池拆开后从电芯里泄漏3废渣拆解时会产生很多碎屑和一些大块残件(1) 废气污染控制锂离子动力电池拆解产生的废气主要是电解质部分水解产生的HF，可采用碱性溶液吸收法处理从切割密闭腔体顶部导出，通入Ca(OH)2、 Na2CO3或NaOH溶液中2) 废液污染控制废液主要来自电解液,LiPF6 , LiClO4等电解质可通过碱液吸 收，如Ca(OH)2、Na2CO3或NaOH溶液有机电解液和电解质共同进入碱性 溶液后，有机电解液不溶于水，液液分层后可通过分液漏斗分离3) 废渣污染控制动力电池拆解后回收正负极材料均以固体形式存在，因此拆解过程产生的固废主要指少量碎屑和残件。

可在拆解刀具下方放置过滤网，具体尺寸 可根据拆解产生碎屑大小而定滤网上方为碎屑，流出的液体经过滤后，通过下方 引导槽进入碱液吸收池滤网上积累一定固体后，采用去离子水冲洗上面吸附的少 量电解液后收集拆解过程可能产生少量粒径很小的碎屑，经滤网后进入液体液 体收集容器储存一定量液体后向外转移时，应注意滤出里面的粉末[10] 3结论(1) 动力电池由于能量较高，在拆解前需要进行放电处理但实验表明，经过放电后，实验所用的动力电池的电压仍高达3.1 V,容量仍保持534 mAh说明动力电池放电后，残余能量仍然较高，放电处理不能解决动力电池拆解的安全问题2) 动力电池拆解可以使用液氮降低拆解电池的温度，防止因高温导致电池材料自 燃每拆解1 kg动力电池至少需要3.62 kg液氮才能有效降低温度至安全水平3) 动力电池拆解过程会产生废气、废液和废渣等二次污染物，能通过本实验所述 的污染物处理装置，有效收集处理“三废”，防止二次污染参考文献[1] 余海军，袁杰，欧彦楠.废锂离子电池的资源化利用及环境控制技术研究[J ].中国环保产业，2013(1):48-51.[2] 李长东，余海军，陈清后.从废旧锂电池中回收制备三元正极材料的研究[J ].资源再生，2011(8):62-65.[3 ]黎宇科有效利用并完善我国车用动力电池回收体系[J].低碳世界，2012(3):30-31.[4] 余海军，袁杰，李长东，等.电动汽车用动力蓄电池回收利用标准化发展思路 研究[J].汽车与配件，2012(41):20-23.[5 ]李长东，余海军，陈清后•新能源动力电池放电剩余容量性能试验研究[J].能源研究与管理，2012(3):33-36.[6] Haijun Yu，Tongzhu Zhang，Jie Yuan，et al.Trial Study on EV Battery Recycling Standardization Development [J].Advanced Materials Research ， 2013，610-613:2170-2173.[7] 曾盛绰，曹硕生•砂轮和冷却液对不锈钢磨削温度的影响[J].广西大学学报 (自然科学版)，1991，16(2):25-28.[8] Zhang PingWei，Yokoyama Toshiro，Itabashi Osamu， et.al.Hydrometallurgical process for recovery of metal values from spent Lithium-ion secondary batteries [ J ] .Hydrometallurgy ， 1998 ， 47(2- 3):259-271.[9] Francois Cardarelli ， Jonathan Dube.Method for recycling spent lithium metal polymer rechargeable batteries and related materials.US 7192564[P].2007-3-20.[10 ]吴国凡，刘喜元•船舶建造、维护和拆解等方面降低环境影响的技术[J]. 船海工程，2010，39(6):91-98.。