摘要：電池作為新能源汽車中最核心的部分，約占整車總成本的30%。隨著新能源汽車行業(yè)的發(fā)展，其對(duì)電池的需求量也在持續(xù)高速增長(zhǎng)，相應(yīng)的電池回收需求也大幅提升。由于廢舊電池中存在重金屬、氟化物、有機(jī)溶劑和塑料薄膜等毒性污染物，對(duì)環(huán)境的影響極大，且治理費(fèi)用高昂，因此對(duì)新能源汽車的電池回收及污染情況進(jìn)行分析，并制定有效措施解決污染問(wèn)題至關(guān)重要。

關(guān)鍵詞：新能源汽車；廢舊電池；回收；污染防治

引言

電池是一種重要的儲(chǔ)能設(shè)備，廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，如家庭電子設(shè)備、汽車、航空航天等。然而，廢舊電池處理過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄物和有害物質(zhì)，對(duì)環(huán)境和人類健康造成不可忽視的影響。隨著新能源汽車的快速普及和電動(dòng)化趨勢(shì)的加速，電池需求量不斷增長(zhǎng)，廢舊電池的處理和回收也成為了一個(gè)嚴(yán)峻的問(wèn)題。我國(guó)于2017年實(shí)施《鋰離子電池材料廢棄物回收利用的處理方法》（GB/T 33059-2016），雖然可對(duì)廢舊鋰電池進(jìn)行回收，但回收效率不高，且會(huì)造成環(huán)境的二次污染。近幾年各大電池廠商均在電池回收方面進(jìn)行了布局，建設(shè)了中試或試生產(chǎn)裝置，在此基礎(chǔ)上對(duì)電池回收及其污染進(jìn)行深入探討研究可促進(jìn)廢舊電池回收行業(yè)更好地發(fā)展。

1新能源汽車廢舊電池回收再利用概述

根據(jù)現(xiàn)階段的國(guó)家規(guī)定，新能源汽車電池的報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)是電池容量衰減至80%以下且無(wú)法修復(fù)。我國(guó)新能源汽車電池均以電池包的形式進(jìn)行單獨(dú)或組合裝配，電池包由若干個(gè)特定的模組組成，模組又由若干個(gè)特定的電芯組成，這種情況下如將剩余近80%的能量全部丟棄，會(huì)是一種巨大的浪費(fèi)。因此，可根據(jù)電池剩余能量的具體情況，分類后進(jìn)行梯次利用，如應(yīng)用在低速電動(dòng)車或電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。

2新能源汽車廢舊電池回收工藝

新能源汽車廢舊電池主要有三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池、錳酸鋰電池等，這些電池含有數(shù)量不等的塑料、銅、鋁、鐵、鎳、鈷、錳、石墨、隔膜、電解液、添加劑等物質(zhì)，需在回收后根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行處理，既要避免浪費(fèi)，又要避免對(duì)土壤、水源和大氣等環(huán)境造成污染?，F(xiàn)階段采用的電池回收方式主要有物理回收（梯次利用）、干（火）法回收、濕法回收等[1]。

2.1 物理回收（梯次利用）

物理回收（梯次利用）主要包括以下工藝單元。對(duì)退役電池包進(jìn)行外觀、絕緣檢查，通過(guò)除塵、拆蓋、放電柜進(jìn)行放電及排液，電池包整體周轉(zhuǎn)；電池包上線掃碼；上線前檢測(cè)電池包絕緣安全性及外觀完整性，并檢查動(dòng)力電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)和顯示功能設(shè)備是否拆卸及斷電；掃電池包條碼并將相關(guān)信息上傳至國(guó)家電池包溯源系統(tǒng)；拆上蓋螺絲并夾取電池包上蓋及下線；拆除銅排螺絲及銅排，拆除/斷開(kāi)總正及總負(fù)電源線、電池保姆或電池管家系統(tǒng)、電氣開(kāi)關(guān)、模組線束、模組螺絲等；吊取模組，拆除模組上蓋、內(nèi)部線束；模組進(jìn)入削加工中心，去除模組中的匯流排焊接點(diǎn)；支解模組，取出單體電芯；電芯電壓及電量測(cè)定；單體電芯掃碼；電芯放電。

2.2 干（火）法回收

干（火）法回收主要包括以下技術(shù)流程。將廢舊電池放電后拆解為電芯；電芯可存儲(chǔ)或經(jīng)吊運(yùn)裝入電芯給料機(jī)料倉(cāng)，再通過(guò)皮帶輸送機(jī)送入一級(jí)破碎工段（該工段需要通入氮?dú)庖苑乐闺娦酒鸹穑?；破碎后的電芯粉料采用電或天然氣進(jìn)行高溫?zé)峤馓幚?，產(chǎn)生的尾氣通過(guò)850～1100℃二次燃燒，將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為水和二氧化碳后排放；破碎后的電芯物料進(jìn)入碳化熱解爐進(jìn)行熱解；熱解后的物料分別經(jīng)過(guò)滾筒篩、重力分選、除磁機(jī)、直線篩、圓盤篩、銅鋁分選機(jī)；最終得到銅粒、鋁粒、黑粉。

2.3 濕法回收

濕法回收是指將干（火）法回收后的篩分料（如黑粉）溶于強(qiáng)酸及氧化物后，通過(guò)化學(xué)沉淀、吸附、離子交換等方法，將可利用的金屬元素以硫酸鹽或碳酸鹽的產(chǎn)品形式分離出來(lái)[2]。濕法回收過(guò)程主要包括打漿反應(yīng)系統(tǒng)、浸出反應(yīng)系統(tǒng)、除雜系統(tǒng)、凈化系統(tǒng)（萃取）、蒸發(fā)結(jié)晶、干燥、粉碎、混合包裝系統(tǒng)，最終可以得到硫酸錳、硫酸鎳、硫酸鈷、碳酸鋰、硫酸鈉等晶體物質(zhì)。

2.4 小結(jié)

上述3種回收方式中，物理回收（梯次利用）的投資成本最低，干（火）法回收和濕法回收的投資較大，且存在較高的污染及處理成本。同時(shí)，現(xiàn)階段的電池回收技術(shù)尚不成熟。對(duì)物理回收（梯次利用）來(lái)說(shuō)，由于不同電池廠家生產(chǎn)的電池包規(guī)格型號(hào)不同，因此需要大量人工拆解，若要降低拆解的人工成本，就需加強(qiáng)拆解的智能化水平；對(duì)干（火）法回收或濕法回收來(lái)講，需要提高各種元素分離和提純的技術(shù)水平，完善對(duì)回收過(guò)程中污染的治理措施。

3 新能源汽車廢舊電池回收過(guò)程中的污染分析

3.1 廢舊電池拆解和破碎過(guò)程中的污染

在廢舊電池拆解過(guò)程中，電池包或模組的外殼（如鋁殼、鋼殼、塑料殼）都是固體廢棄物，可以回收利用；電池包中的冷卻液可能存在由電解液泄露造成的污染，不過(guò)該污染程度較低；電芯放電過(guò)程中泄漏的廢液[2]會(huì)污染用于放電的電解液，并生成有毒有害物質(zhì)，從而對(duì)水環(huán)境造成不同程度的毒性危害[3]。

廢舊電芯在破碎過(guò)程中，需要保持絕氧或缺氧的環(huán)境以避免火災(zāi)，通常采取的安全手段為通入氮?dú)狻Ｍ瑫r(shí)，破碎的物料在設(shè)備間的轉(zhuǎn)輸過(guò)程中可能會(huì)有電解液、極粉泄漏，從而產(chǎn)生含有機(jī)物、粉塵的廢氣。另外，破碎的物料在熱解爐中進(jìn)行熱解時(shí)，其中的粘結(jié)劑、電解液、隔膜等會(huì)形成大量廢氣，該廢氣含有大量的氟、磷、有機(jī)物等，屬于高污染廢氣。

電芯破碎工藝可采用帶電破碎或不帶電破碎，而電芯的電壓范圍較大，一般在3.2～4.2V之間。帶電破碎時(shí)，為避免在破碎過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)量的熱而造成設(shè)備損壞，應(yīng)在破碎前對(duì)電芯的電壓和電量進(jìn)行檢測(cè)，若電壓低于3.0V可直接帶電破碎，不然則應(yīng)采取物理或化學(xué)鹽水放電，同時(shí)在破碎過(guò)程中采用氮?dú)獗Ｗo(hù)設(shè)施并監(jiān)測(cè)氧含量。不帶電破碎時(shí)，需先采用物理放電或放電池設(shè)施，物理放電要對(duì)余電進(jìn)行利用和對(duì)放電過(guò)程中產(chǎn)生的余熱進(jìn)行處理，但現(xiàn)階段還沒(méi)有行之有效的方法可實(shí)現(xiàn)余電和余熱的合理利用；而采用放電鹽水在放電池中進(jìn)行放電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的有機(jī)廢氣及廢水[2]。放電產(chǎn)生的有機(jī)廢氣中VOC含量高，且含有大量有機(jī)電解液、粘結(jié)劑和添加劑氣體；放電產(chǎn)生的廢水中含大量鹽和有機(jī)物。破碎后的電芯粉料在炭化爐中以220～400℃的溫度進(jìn)行熱解，有機(jī)物被熱解氣化。熱解產(chǎn)生的尾氣從炭化爐頭部引至有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，由于尾氣中包含VOCs、氟化物，因此采用天然氣或電加熱至850℃后再以布袋除塵、噴淋、活性炭的工藝進(jìn)行處理。

3.2 廢舊電池再處理過(guò)程中的污染

根據(jù)廢舊電池正極材料的不同，可將干（火）法處理產(chǎn)出的粉料分為三元黑粉和磷酸鐵鋰黑粉，2種黑粉的主要成分不同、處理工藝不同，因此產(chǎn)生的污染物也不一樣。三元黑粉中含有大量重金屬元素，如銅、錳、鎳、鈷等；而磷酸鐵鋰黑粉中理論上不含上述重金屬元素。濕法處理中產(chǎn)生的污染包括廢氣、廢水和廢渣污染。廢氣污染主要有打漿過(guò)程中的粉塵污染、投加酸或氧化劑時(shí)的氣體污染、加熱時(shí)的蒸汽污染、萃取過(guò)程中的溶劑或萃取劑揮發(fā)氣體污染、蒸發(fā)結(jié)晶過(guò)程中的不凝氣污染等；廢水污染主要有萃取皂化液、反萃液、反鐵液、萃雜液、萃取劑再生廢液、噴淋廢水、蒸發(fā)母液等；廢渣污染主要有浸出工段后壓濾的負(fù)極石墨渣、凈化除雜產(chǎn)生的沉淀過(guò)濾渣等。

4新能源汽車廢舊電池回收過(guò)程中的污染防治措施

首先要提升廢舊電池的回收效率，防止廢舊電池?cái)U(kuò)散；其次要改進(jìn)回收技術(shù)，降低成本，擴(kuò)大梯次利用市場(chǎng)[4]；最后要從廢氣、廢水、廢渣3個(gè)方面加強(qiáng)廢舊電池回收過(guò)程中的污染治理。

4.1 廢氣污染防治措施

破碎和炭化熱解過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量廢氣，該廢氣中含有粉塵、VOCs、氟化氫等污染物。廢氣溫度高，可先通過(guò)旋風(fēng)除塵去除大顆粒的粉塵，再通過(guò)高溫袋式過(guò)濾去除小顆粒的粉塵，然后通過(guò)催化燃燒或二次焚燒去除VOCs，最后通過(guò)冷卻和堿洗去除氟化氫，從而使該廢氣達(dá)標(biāo)排放。

廢舊電池中的鎳、銅、鈷等有色金屬元素主要以萃取的方式進(jìn)行回收，回收過(guò)程中產(chǎn)生的揮發(fā)性廢氣主要包括白油（俗稱磺化煤油）和萃取劑（P204、P507、P272）等有機(jī)物。以上幾類有機(jī)物在常溫下的揮發(fā)性較小，但若不加以處理也會(huì)對(duì)室內(nèi)空氣造成污染，甚至引起操作人員中毒，因此必須進(jìn)行收集并治理。鑒于廢氣中的這幾類有機(jī)物具有沸點(diǎn)高、易與堿反應(yīng)的特點(diǎn)，可采用堿洗噴淋和水噴淋的方式進(jìn)行處理。

4.2 廢水污染防治措施

放電過(guò)程產(chǎn)生的廢水中鹽含量高，有機(jī)物污染濃度高、色度大，可先通過(guò)高級(jí)氧化（Fenton氧化、濕式氧化等方法）去除廢水中的有機(jī)污染物，再通過(guò)蒸發(fā)結(jié)晶得到氯化鈉或硫酸鈉固體副產(chǎn)品，該廢水經(jīng)凈化后可直接回用于放電水池[2]。

在熱解過(guò)程中，電芯粉料中的有機(jī)物經(jīng)焚燒成為無(wú)污染的二氧化碳和水，而其中的氟化物變?yōu)榉瘹溥M(jìn)入噴淋水中，形成含氟化氫的廢水（含氟廢水）。含氟廢水可先加入鈣鹽使氟離子形成氟化鈣沉淀，再壓濾形成氟化鈣固體副產(chǎn)品；壓濾后的水可繼續(xù)用于噴淋水補(bǔ)水。

萃取過(guò)程產(chǎn)生的各類廢水中，含油量高達(dá)500～1000mg/L，COD高達(dá)20000～30000mg/L，

含鹽量高達(dá)150000mg/L，且含有一定量的重金屬離子，屬于高COD、高鹽、難降解的廢水。對(duì)于該廢水，現(xiàn)階段通常采用的處理措施是先通過(guò)pH調(diào)整去除廢水中的重金屬離子；再通過(guò)除油裝置去除水中的油同時(shí)去除部分COD；然后通過(guò)電催化氧化或其它高級(jí)氧化法[5]深度處理剩余COD，接著進(jìn)入MVR蒸發(fā)器系統(tǒng)進(jìn)行蒸發(fā)結(jié)晶，并回收得到碳酸鋰、硫酸鈉等副產(chǎn)品；最后將蒸餾水經(jīng)反滲透處理后作為純水使用。

4.3 廢渣污染防治措施

電池回收過(guò)程中產(chǎn)生的固體廢物主要有廢石墨、廢塑料、銅粒、鋁粒等。在傳統(tǒng)的廢舊鋰電池回收中，負(fù)極石墨直接作為冶金過(guò)程中的還原劑被燒掉[6]；廢塑料、銅粒、鋁?？勺鳛橛袃r(jià)材料加以回收。雖然回收廢石墨材料也能產(chǎn)生一定經(jīng)濟(jì)效益，但相關(guān)技術(shù)大多處于研究階段，大規(guī)模應(yīng)用仍然面臨諸多困難。同時(shí)，石墨儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉，回收收益不大，且回收的石墨需要進(jìn)一步提純，過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生額外的廢水、廢氣、廢渣和能源消耗。因此，針對(duì)電池中的石墨回收還需進(jìn)一步開(kāi)發(fā)環(huán)保、高效、低成本的方法。

結(jié)語(yǔ)

廢舊電池的回收利用與污染防治是社會(huì)發(fā)展過(guò)程中必須面對(duì)的問(wèn)題，目前電池回收還處于初期階段，將來(lái)隨著回收高峰期的來(lái)臨，更加需要有針對(duì)性地、深入地開(kāi)展相關(guān)研究和探索，尋找合適的電池回收途徑，提升回收效率，減少環(huán)境污染，降低污染治理成本。從長(zhǎng)期來(lái)看，不但電池回收企業(yè)應(yīng)建立標(biāo)準(zhǔn)化的制度和體系，而且電池生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)將梯次利用的理念和標(biāo)準(zhǔn)注入到生產(chǎn)工藝當(dāng)中。強(qiáng)化電池編碼和溯源制度，提高回收效率；吸收并總結(jié)先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化回收體系，健全再利用機(jī)制，共同促進(jìn)新能源汽車電池行業(yè)的良性發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介

楊湘政（1981—），男，漢族，湖南常德人，工程師，碩士，研究方向?yàn)樗幚砼c廢物資源化。