盧世杰，周宏喜，郎平振，蘇 勇

（1.北礦機電科技有限責(zé)任公司，北京 100160；2.礦冶科技集團有限公司，北京 100160）

2020年新能源汽車動力電池迎來首批退役潮，廢舊動力電池中含有鎳、鈷、錳、鋰等稀缺礦產(chǎn)資源，極具經(jīng)濟價值?；厥绽脧U舊電池不僅可以實現(xiàn)資源循環(huán)再生，還可以避免環(huán)境污染。退役動力電池最終都要報廢拆解，通常采用精細拆分或直接破碎分選法得到正極粉料或正負極粉料，再經(jīng)冶金處理得到鎳、鈷和鋰等有價金屬，實現(xiàn)動力電池資源的綜合循環(huán)利用［1－2］。為了實現(xiàn)電芯高效解離，本文探究了破碎裝置的合適參數(shù)，為后續(xù)深度分選提供依據(jù)。

1 破碎機理

1.1 破碎方法

常用的機械破碎方法有擠壓破碎、研磨破碎、沖擊破碎和剪切破碎等。根據(jù)被破碎物料的硬度、強度和黏結(jié)性以及物料的給料、排料粒度來選擇合適的破碎方法及裝置。動力電池電芯主要由鋁殼、正極片、負極片、隔膜和塑料等構(gòu)成，主要組分結(jié)合方式有壓合與黏合2種，如外殼、極柱和隔膜等材料間靠壓力壓合在一起，材料間不存在分子作用力；而正極材料與鋁箔，負極材料與銅箔間通過黏結(jié)劑黏合，結(jié)合牢固，分子間存在作用力。壓合方式的物料間通過破壞其結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)完全解離，而黏合方式的物料則因黏結(jié)劑的存在不易通過破碎方式完全解離［3］。

1.2 關(guān)鍵因素分析

電芯的主要組分為非脆性物料，韌性較強，宜用剪切方式實現(xiàn)物料解離，破碎效果與物料大小，刀具形式、刀具數(shù)量、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、動刀與定刀間隙等密切相關(guān)，其中刀具形式、轉(zhuǎn)速及動刀與定刀間隙3個因素對碎后產(chǎn)品的形狀和粒度影響較為顯著。破碎效果可通過產(chǎn)品形狀和粒度大小來表征，形狀越規(guī)則、變形越少、產(chǎn)品粒度越小，則尺寸切割數(shù)越大，破碎效果越好。尺寸切割數(shù)計算式為［4］：

式中Ls為尺寸切割數(shù)，表明剪切破碎效果的參數(shù)，其值越高則剪切效果越好；Z1為轉(zhuǎn)子上的動刀數(shù)；Z2為破碎機中定刀數(shù)；L為刀片長度；n為轉(zhuǎn)速；a為設(shè)備參數(shù)（由工況確定）。

由式（1）可知，定刀和動刀數(shù)量越多，尺寸切割數(shù)越大，即產(chǎn)品粒度越?。坏镀L度越長，即刀具切割面越長，產(chǎn)品剪切效果越好，粒度越小；設(shè)備轉(zhuǎn)速越大，尺寸切割數(shù)多，產(chǎn)品粒度越小。剪切破碎效果與刀具數(shù)量、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、切割面長度成正相關(guān)。

1.2.1 刀具形式分析

3種常見刀具的截面圖見圖1。

圖1 3種刀具的截面圖

矩形刀的切割面為3個，剪切過程中矩形刀同時在軸向和垂直于軸向的側(cè)面對物料施加剪切力，使物料表面產(chǎn)生3處裂紋，且側(cè)向裂紋與軸向裂紋呈90°夾角。鋸齒刀的切割面為2個，鋸齒刀在兩個方向上施加剪切力，使物料表面產(chǎn)生2處裂紋。V型刀的切割面為1個，僅使物料表面產(chǎn)生1處軸向裂紋。在切割面長度L一定時，被剪切物表面產(chǎn)生的裂紋數(shù)越多，物料斷裂越快，剪切效果越好。刀具的剪切長度也不同，大小順序為：矩形刀＞鋸齒刀＞V型刀。

1.2.2 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速分析

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越高，動刀剪切速度越大，刀尖處摩擦減小，剪切過程中物料的塑性變形減小，使得刀具和電芯間的側(cè)向擠壓力減小，合成擠壓力的方向更接近動刀的運動方向，物料內(nèi)產(chǎn)生的裂紋以滑移型裂紋為主，切割面形狀平整光滑，變形少，剪切斷面質(zhì)量顯著提高。由式（1）可知，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越高，物料尺寸切割數(shù)越大，剪切后物料粒度越小，剪切效果越好。但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越大，設(shè)備功耗越大，對轉(zhuǎn)子的動平衡性要求越高。反之，轉(zhuǎn)速越小，易導(dǎo)致被剪切物發(fā)生變形，剪切效果差。因此，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以產(chǎn)生的切應(yīng)力稍高于電芯物料的抗剪強度為宜［5－6］。

1.2.3 動刀與定刀間隙分析

物料剪切過程中旋轉(zhuǎn)剪切示意圖見圖2。

圖2 旋轉(zhuǎn)剪切示意圖

剪切力計算公式［12－13］為：

式中P為剪切力，N；b為物料寬度，mm；h為物料厚度，mm；τ為物料抗剪強度，MPa；α為物料剪切過程中的最終轉(zhuǎn)角；g為動刀與定刀間隙，mm；m＝g／h，為相對間隙。

由式（2）可知，剪切力主要與電芯物料尺寸、抗剪強度、動刀與定刀間隙有關(guān)，動刀與定刀間隙是影響剪切效果的重要因素，同時也關(guān)系到剪切力的大小和刀具的使用壽命。刀具剪切過程由壓入變形和剪切滑移兩個階段組成，調(diào)整動刀與定刀間隙可使剪切力發(fā)生變化。當(dāng)間隙由0逐漸增大時，被剪物料依次發(fā)生壓縮→剪切→彎曲等變化，剪切力將由大→小→大，間隙過小或過大都會使剪切力增加。合適的間隙是刀具能夠正常剪切并得到形狀規(guī)則物料的關(guān)鍵。間隙過大時，刀具對物料產(chǎn)生的彎矩過大，產(chǎn)生的裂紋會出現(xiàn)錯位，不重合，斷裂面不平整，物料被拉斷，甚至擠壓變形，剪切效果差。而切割間隙過小時，產(chǎn)生的剪切力增大，剪切效果變好，設(shè)備負載增加，刀具磨損加劇，刃口可能出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象［7－8］。

2 破碎試驗裝置

圖3為試驗用破碎裝置，主要由給料器、破碎腔、傳動系統(tǒng)、錐形下料斗、支架及風(fēng)機組成。破碎腔由轉(zhuǎn)子（安裝動刀）、定刀和篩網(wǎng)等組成。因電芯物料適合剪切破碎，本文設(shè)計了3種刀型的轉(zhuǎn)子（如圖1所示）。試驗采用方形鋁殼三元電池單體，尺寸148 mm×91 mm×27 mm。

圖3 電芯破碎裝置

3 破碎試驗

3.1 不同刀型轉(zhuǎn)子破碎試驗

鋸齒刀、矩形刀和V型刀3種刀型轉(zhuǎn)子分別在轉(zhuǎn)速50 Hz＠768 r／min、動刀與定刀間隙2 mm條件下進行電芯破碎，3種刀型轉(zhuǎn)子多次開路破碎后－19 mm粒級新增率見表1。

表1 鋸齒刀、矩形刀和V型刀多次破碎試驗數(shù)據(jù)

鋸齒刀轉(zhuǎn)子5次開路破碎后產(chǎn)品形狀不規(guī)則，鋁殼出現(xiàn)明顯的擠壓變形，物料間存在折疊和夾帶現(xiàn)象。矩形刀的破碎效果優(yōu)于鋸齒刀，－19 mm粒級新增率高6.3個百分點，且矩形刀的破碎產(chǎn)品中幾乎沒有成沓物料，破碎后鋁殼沒有變形，更利于后續(xù)分選。V型刀破碎后產(chǎn)品表面擠壓變形更少，更利于后續(xù)分選，但一次破碎后的產(chǎn)品中大塊較多。4次開路破碎后V型刀比鋸齒刀破碎產(chǎn)品中－19 mm粒級新增率低10.48個百分點，效果很差。

綜合對比3種不同刀型的轉(zhuǎn)子，矩形刀的破碎產(chǎn)品中－19 mm粒級新增率最高，破碎效果最好。

電芯破碎實現(xiàn)物料間解離是后續(xù)高效分選的前提，若破碎產(chǎn)品尤其是鋁殼的擠壓變形小、形狀規(guī)則，則鋁殼夾帶極片、隔膜的概率越低；產(chǎn)品中－19 mm粒級新增率高，則物料解離充分，越利于后續(xù)分選和細碎。

3.2 不同轉(zhuǎn)速破碎試驗

使用矩形刀轉(zhuǎn)子、動刀和定刀間隙2 mm條件下，考察轉(zhuǎn)速對破碎產(chǎn)品－19 mm粒級新增率的影響。每次破碎4塊電芯，分別完成5次開路試驗，結(jié)果如表2所示。

表2 不同轉(zhuǎn)速下破碎產(chǎn)品－19 mm粒級新增率

由表2可知，在轉(zhuǎn)速653 r／min條件下－19 mm粒級新增率最高，達到86.3%；當(dāng)破碎機轉(zhuǎn)速較小時，破碎產(chǎn)品中－19 mm粒級新增率較低，破碎產(chǎn)品中鋁殼擠壓變形明顯增多，正負極片夾帶隔膜現(xiàn)象也突出，因此對電芯進行剪切破碎時需要一定的剪切速度。

3.3 不同動刀與定刀間隙破碎試驗

使用矩形刀轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)速653 r／min條件下進行5次開路試驗，動刀與定刀間隙對破碎產(chǎn)品－19 mm粒級新增率的影響如表3所示。

表3 不同間隙下破碎產(chǎn)品－19 mm粒級新增率

由表3可知，當(dāng)破碎機動刀與定刀間隙1 mm時，產(chǎn)品中－19 mm粒級新增率最高，達到90.5%；間隙增大時，破碎后產(chǎn)品中－19 mm粒級新增率呈下降趨勢，而且電芯鋁殼被擠壓變形增多，這與理論分析結(jié)果一致。

3.4 綜合試驗

由上述試驗結(jié)果可知，動力電池電芯用破碎裝置宜采用矩形刀轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速653 r／min，轉(zhuǎn)子動刀與定刀間隙1 mm，此時電芯破碎后產(chǎn)品中－19 mm粒級新增率可達90.5%，且物料解離充分，更利于物料高效分選。

4 結(jié) 論

1）根據(jù)電芯特性，宜剪切破碎處理，通過理論分析和試驗研究了破碎機轉(zhuǎn)子刀型、轉(zhuǎn)速、動刀與定刀間隙等關(guān)鍵因素對電芯破碎效果的影響。

2）矩形刀、鋸齒刀、V型刀3種刀型轉(zhuǎn)子中，矩形刀轉(zhuǎn)子破碎后產(chǎn)品形狀規(guī)則，擠壓變形少，粒度更細，破碎效率高，產(chǎn)品中少有折疊和擠壓現(xiàn)象，易于后續(xù)分選。

3）矩形刀轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)速653 r／min、動刀與定刀間隙1 mm條件下，破碎產(chǎn)品中－19 mm粒級新增率達到90.5%，破碎產(chǎn)品變形較少，剪切效果較好。