馬成，薛辛，殷康健，朱龍冠

（株洲鼎端裝備股份有限公司，湖南 株洲 412000）

0 引言

隨著電動汽車關鍵部件——電池逐漸達到使用壽命，動力電池報廢量將越來越大。預計到 2020年，我國車用動力電池需求量將達到 125 GWh，報廢量將達到 32 GWh，報廢電池折算后質(zhì)量將達到約 50 萬t；到 2030年，車用動力電池的報廢量將達到 101 GWh，報廢動力電池質(zhì)量約 116 萬t。

目前，廢舊動力鋰離子電池的回收方式主要有 2 種：一是梯次利用——針對容量下降到原來的 70 %～80 %，無法在電動汽車上繼續(xù)使用的電池，進行梯次利用，使這些電池可在其他領域，作為電源繼續(xù)使用一定時間；二是拆解回收——主要針對容量下降到 50 % 以下，無法繼續(xù)使用的電池，只能將電池進行拆解和資源化回收利用。

因為鋰電池的使用具有一定的生命周期，所以使用一定時間后就要報廢，即使采取梯次利用，最終也要報廢。鋰電池由殼體、正極（鋁基片）、負極（石墨與銅基片）、電解液、隔膜等組成。如果不進行拆解及分選，就無法回收廢舊電池中的有價材料和成分。鋰離子電池的正極活性物質(zhì)多為嵌鋰金屬氧化物，如 LiCoO、LiNiO、LiFePO 和 LiVO 等[1]。負極活性物質(zhì)多為石墨、鈦酸鋰等。電解液的溶質(zhì)多為 LiPF（目前商用的），而溶劑一般為碳酸甲酯、碳酸乙酯和碳酸甲乙酯等[2]。如何實現(xiàn)對有經(jīng)濟價值的材料高效回收與對無經(jīng)濟價值組分的無污化處理是筆者研究的重點[3-5]。為減少環(huán)境污染，提高再生資源綜合利用水平，筆者對退役動力電池智能拆解、破碎與物料歸集技術進行了研究，設計了相關的成套裝備，構建了 1 種高回收率、低能耗、無污染的退役動力電池綜合回收新工藝。

1 退役動力電池前處理工藝

根據(jù) USABC 的相關評估標準，動力電池的使用壽命終止判定指標為實際容量下降到標稱容量的80 % 以下。對判定使用壽命終止的動力電池進行回收和二次利用將會大大減輕對環(huán)境的污染。而對不再擁有使用價值的廢舊動力電池則以循環(huán)再造的形式進行再制造。

目前，國內(nèi)外對廢舊鋰離子電池的回收過程是：首先，將電池徹底放電；其次，對電池進行拆解、破碎，分離出正極、負極、隔膜等各組成部分；然后，再對電極材料進行堿浸出、酸浸出、除雜后萃取，以實現(xiàn)有價金屬的富集。在回收過程中，電池的拆解、破碎、分選是提高資源再生利用率的前提。目前，我國工業(yè)上針對該階段的技術主要為干法回收技術。但是，傳統(tǒng)的干法回收技術是通過機械分選法，利用電池不同組分的密度、磁性等物理性質(zhì)的不同，采取破碎、篩分等手段將電池材料粗篩分類，實現(xiàn)不同有用金屬初步分離回收的目的。由于鋰離子電池的結構比較特殊，活性材料和集流體粘合緊密，不易解體和破碎，在篩分和磁選時，存在機械夾帶損失，很難實現(xiàn)金屬的完全分離回收。同時，傳統(tǒng)的干法回收技術也無法保證方形動力電池的處理。因此，需要對現(xiàn)有的技術工藝進行升級改造[6-10]。

通過對我國現(xiàn)有技術的總結，以及對國外技術的分析研究，研制出一條適合中國工業(yè)化的退役動力電池智能拆解、破碎與物料歸集技術，可以實現(xiàn)智能拆解、高效破碎，有效分選。具體工藝流程圖如圖 1 所示。

圖1 工業(yè)化的退役動力電池智能拆解、破碎與物料歸集技術流程圖

退役后的動力電池首先經(jīng)過余能檢測。對于性能較好的電池，首先進行梯級利用，主要用于儲能；對于性能較差的電池，首先進行智能拆解，將電池組拆解成電池單體，對拆解得到的塑料外殼與金屬外殼進行分類回收歸集。由于拆解后得到的單體電池仍帶有少量的電量，為了保證后續(xù)工段的安全性，需要對電池進行放電處理。在破碎分選之前，放電后的單體電池在表面的水分被除去后，才能進入原料倉。

廢電池原料從上料儲料倉開始，經(jīng)由電磁振動給料機，被送到二級破碎系統(tǒng)。經(jīng)破碎后的物料進入多效分選工段。在這里，可分選出鋼殼（鐵）、塑料和隔膜。剩余的物料被送入炭化爐，在旋轉的炭化爐中邊被加熱，邊被往前送出。因為爐子被安裝得具有一定的傾斜角度，所以爐子每轉 1 圈，物料就在旋轉到上方時落下，而落點與起點之間的距離就是物料每次隨爐子旋轉半圈后前進的距離。物料在爐中停留約 1 h 后出爐，經(jīng)螺旋輸送機，被送入冷卻料倉，儲存，及降溫。冷卻倉以水為介質(zhì)，進行間接冷卻，并配有冷卻水塔。

冷卻倉中的物料被送入下一級分選（主要為篩分）。篩分的主要設備為圓振動篩。篩下物黑粉隨負壓氣流上升，進入旋風除塵器，接著經(jīng)進一步分離后，從上部被吸進布袋除塵器，然后從除塵器下方被排出，進入負吸管道到黑粉料罐儲存。篩上物被送進三級破碎系統(tǒng)，進行第 3 次破碎。破碎后物料向上被輸送到分離器中。因為物料體積突然膨脹，重料銅片、鋁片落下進入下一級分選。旋風除塵器中的極小銅片、鋁片落下進入圓振動篩。圓振動篩進一步振動銅、鋁片，對銅、鋁片可能帶有的黑粉繼續(xù)過篩。篩下的黑粉再經(jīng)負吸管道，進到黑粉料罐中儲存。篩上物銅、鋁片進入跳汰機，經(jīng)水力分選。分出的銅片、鋁片各自裝袋入庫。

放電工段與炭化工段產(chǎn)生的廢氣經(jīng)收集后，經(jīng)過廢氣管道，進入二次燃燒室，進行再次的高溫燃燒。產(chǎn)生的高溫煙氣再通過耐高溫管道，進入煙氣換熱器（配有冷卻水塔）。高溫煙氣經(jīng)換熱器降溫后，進入布袋除塵器，使煙氣中的粉塵被收集，之后再一次進入堿式噴淋塔與活性炭吸附塔，以除去煙中含有的酸性與有機成分，最后通過煙囪被排放。

2 智能拆解、破碎與物料歸集技術及其成套裝備（見圖 2）

首先，對退役的方形動力電池進行識別分選與智能化轉載輸送。根據(jù)電池的尺寸、體積進行識選，并將電池轉載至下一工段。其次，采用電池包（模組）的智能化拆解系統(tǒng)，實現(xiàn)拆解過程的智能化和高效化。再次，使拆解后得到的電池單體通過自動化的破碎系統(tǒng)，保證物料的一致性，實現(xiàn)電池單體安全、高效的破碎。然后，使破碎后的物料進入清潔化的熱解系統(tǒng)。在熱解系統(tǒng)中不僅可以提高正、負極材料的回收率，而且可以實現(xiàn)碎料中有機物的無污化處理。最后，進行智能化的物料歸集，將單體破碎后物料中的鋼殼、塑料、正負極粉，以及銅鋁粒歸集。因此，主要研究任務如下所示：

2.1 智能化的識別、分選

采用高精度的測量光幕在線檢測退役動力電池的外形尺寸和體積，測量退役動力電池的長、寬、高和體積等。具體方法如下：① 當退役方形電池在勻速輸送帶上時，需要 2 套測量光幕，測量退役方形電池的寬度和高度，并由輸送帶的傳送速度和 2 套測量光幕的關系，精確計算出方形電池的體積；② 當退役方形電池在非勻速輸送帶上時，需要 3 套測量光幕，測量退役方形動力電池的長度、寬度和高度，然后準確計算出方形動力電池的體積；③ 當退役方形電池在靜止平臺上時，需要 3套測量光幕測量退役方形動力電池的長度、寬度和高度，計算出退役方形動力電池的體積。

檢測出電池的外形尺寸后，再通過計算機編程控制機器人或者機械手對不同尺寸的退役電池進行分類，實現(xiàn)了退役方形動力電池的識別與分選。

2.2 智能化的轉載運輸

退役方形動力電池轉載和輸送裝置主要包括用于轉載的機械手和密封鏈帶輸送機。轉載機械手可以自由旋轉、伸縮或者移動。根據(jù)識選出的不同型號的電池，通過編程控制機械手的抓取，將抓取后的物料放置輸送帶上。設計上帶有機器視覺目標精準檢測的電池轉載機械手控制系統(tǒng)包括工控機和機械手控制系統(tǒng)。視頻目標監(jiān)測系統(tǒng)包括實時采集物品抓取區(qū)圖像信息的可見光探測器、視頻信號放大器、高頻濾波器、A/D 轉換器、DSP 視頻信號處理控制器。DSP 視頻信號處理控制器通過 CAN 接口卡、CAN 總線與工控機連接。

通過在電池轉載機械手中加入物品目標檢測功能，可以使轉載機械手對不同形狀，不同大小的物品具有較強的適應性，不需要因物品形狀和大小改變，而重新進行示教工作，減小了機器人操作的復雜程度，同時由于可以精確獲得物品的尺寸大小，也具有較高的抓取精度。

2.3 智能化的拆解系統(tǒng)

現(xiàn)今，廢舊動力電池模組的拆解多數(shù)采用全人工拆解方式。這種拆解方式不僅危險性大，而且噪聲大，流程長，效率不高，對工人的身體也會造成一定損傷。采用智能化、自動化的廢動力電池包（模組）拆解系統(tǒng)，可以提高電池模組拆解的工作效率，極大地降低勞動強度。

智能化的拆解系統(tǒng)包括送料設備、切割定位設備、自動切割設備、出料滾道和拆解工作臺。沿著廢舊動力電池模組的行進方向，依次設置送料設備、切割定位設備、出料滾道和拆解工作臺。自動切割設備中的切割裝置位于切割定位設備的正上方。送料設備、切割定位設備、自動切割設備、出料滾道和拆解工作臺分別為獨立的模塊。由這些模塊拼合成連續(xù)的生產(chǎn)線，便于安裝和維護，且具有較高的自動化程度，可自動完成定位和切割加工。

送料設備中采用了可編程的機器人或機械手，通過對電池包（模組）的成像，并根據(jù)廢舊動力電池包（模組）的尺寸，調(diào)整切割裝置，從而可實現(xiàn)切割的準確定位。送料機器人或機械手可實現(xiàn)電池包（模組）的翻轉、旋轉。

切割裝置包括通過滾珠絲杠上下運動的機架、固定在機架上的固定鋸片、平行設置在固定鋸片右側位置的左右可調(diào)的活動鋸片。這種結構的切割裝置可依據(jù)廢舊動力電池模組的形狀和尺寸，調(diào)節(jié)固定鋸片和活動鋸片之間的間距，切割廢舊動力電池模組的左右兩端；之后，再通過機械手，抓取電池包（模組），重新調(diào)整電池包（模組）的位置，再次切割，實現(xiàn)電池包（模組）4 個側面外殼的準確切割；然后，再通過機器人機械手取出電池單體。

出料滾道包括 2 條平行設置的沿著左右方向延伸的導向槽。導向槽之間裝有多條滾軸。采用這種結構的導向槽可容納退役動力電池包（模組）的支撐腳，同時避免其偏移。滾軸的作用是便于推出退役動力電池包（模組），節(jié)省人力。

拆解工作臺的臺面與導向槽的底部等高，保證退役動力電池包（模組）順利從出料滾道進入拆解工作臺。

總的說來，這種智能化拆解系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：采用了可編程的機器人或機械手、自動化的定位設備和切割設備；可快速、高效地拆解退役動力電池包（模組）；增強了拆解的安全性，減輕工人的勞動強度；便于集中處理拆解下來的外殼。

2.4 自動化的破碎系統(tǒng)

此工段處理的廢鋰離子電池為模組經(jīng)拆解后的單體電池。單體電池在進入破碎前，需要對其進行放電處理。對角尺寸在 25 cm 以下的電池均要可處理范圍之內(nèi)，所以兼容性較高。

自動化破碎系統(tǒng)包括多級破碎：一級高速旋轉齒輥式破碎機、二級高速旋轉齒輥式破碎機和三級高速旋轉刀片式破碎機。一級高速旋轉齒輥式破碎機，也可被稱為粗破機，將單體電池快速切斷。切斷后物料的尺寸在 5～10 cm。整套裝置被置于密封罩內(nèi)，有效地防止了破碎過程中溢出的電解液揮發(fā)至空氣中。二級高速旋轉齒輥式破碎機將一級破碎后的物料通過動刀和定刀的剪切，使電池料被快速打開、破碎，直至碎料粒徑小于篩網(wǎng)孔徑后漏出。經(jīng)破碎后電池碎的片尺寸在 10～17 mm。三級高速旋轉刀片式破碎機，也可稱之為摩擦打散工段，被設置在整體系統(tǒng)的后段，主要處理熱解子系統(tǒng)出來的物料，將熱解后的碎料進行摩擦打散，把碎料破碎成更小的顆粒（粒徑在 2～5 mm）。

2.5 清潔化的熱解系統(tǒng)

鋰離子電池破碎后碎料中存在的有機物主要為電解液、粘結劑，以及隔膜等無回收價值的組分。為了提高經(jīng)濟價值較高的電池材料的回收率，要對破碎后物料中有機物進行低溫熱解處理，并且保證低溫熱解過程高效、安全、環(huán)保。清潔化的熱解系統(tǒng)主要包括熱解系統(tǒng)和煙氣的清潔化處理系統(tǒng)。

熱解系統(tǒng)的主體設備為低溫熱解爐，并配備天然氣燃燒系統(tǒng)。破碎后的物料經(jīng)過密封式輸送器，被輸送至低溫熱解爐內(nèi)進行處理。在低溫熱解爐的前端設有燃燒室，主要用于天然氣的燃燒。

清潔化的煙氣處理系統(tǒng)主要包括二次燃燒室、煙氣冷卻塔、布袋除塵器、堿式噴淋塔，以及活性炭吸附塔。由低溫熱解爐產(chǎn)生的煙氣首先進入二次燃燒室，進行再次的高溫充分燃燒。產(chǎn)生的高溫煙氣進入煙氣冷卻塔，經(jīng)降溫后進入布袋除塵器，再經(jīng)除塵后依次進入噴淋塔、活性炭吸附塔，最后經(jīng)煙囪排出。

2.6 智能化的物料歸集

針對破碎后鋼殼和塑料，以及熱解后正負極材料、銅粒、鋁粒，需要進行物料歸集。智能化的物料歸集可實現(xiàn)電池中各組分的高效回收與分選，實現(xiàn)正極材料的高回收率。

智能化的物料歸集主要用于電池破碎后碎料中各組分的分選，包含多級分選：① 碎料中的黑粉通過多級振蕩篩進行分選；② 碎料中的隔膜、塑料，以及鋼殼通過多效分選機進行分選；③ 碎料中的銅、鋁通過銅、鋁分選機進行分選，得到銅、鋁金屬。由于每臺設備對碎料中的物料分選具有專一性，再分選過程中其他成分的夾雜較少，可提高物料的分選效率。在物料歸集過程中，通過編程控制，實現(xiàn)物料精確分選、歸集。最終將實現(xiàn)：正負極粉總回收率 ≥98 %，鋼殼回收率 ≥99 %，銅回收率 ≥95 %，鋁回收率 ≥95 %，隔膜回收率 ≥80 %。

圖2 工業(yè)化的退役動力電池智能拆解、破碎與物料歸集系統(tǒng)

3 結論

筆者通過測量光幕可快速準確地進行電池的識選，通過帶有機器視覺目標的電池轉載機械手控制系統(tǒng)，精準實現(xiàn)對電池的抓取，解決了退役方形動力電池的多維識選與智能轉載難題。為了解決電池中貴重組分的高效歸集回收，筆者研制的智能化拆解系統(tǒng)，通過機器人或機械手作業(yè)，及電腦成像等技術，實現(xiàn)了拆解過程的準確定位與高速作業(yè)。針對拆解后得到的單體電池，筆者研制出自動化的破碎系統(tǒng)。該破碎系統(tǒng)分為多級破碎：一級粗破碎、二級主破碎、三級細破碎。整套系統(tǒng)可實現(xiàn)自動化生產(chǎn)、編程控制。單體電池經(jīng)過二級主破碎后，為實現(xiàn)碎料中無經(jīng)濟價值的有機成分無污化處理，滿足生態(tài)環(huán)保要求，筆者研制出一種清潔化的熱解系統(tǒng)，將碎料送至該系統(tǒng)，通過熱解將碎料中無回收價值的有機成分無污化處理，再通過清潔化的煙氣處理系統(tǒng)處理熱解過程中產(chǎn)生的煙氣。為實現(xiàn)物料的高效分選與回收，筆者設計了物料的智能化歸集系統(tǒng)，針對物料中不同的組分，研制出相應的專一性成套裝備，通過控制系統(tǒng)分選出相應的物料成分。