＊王 冰

（江西萬載工業(yè)園區(qū)管理委員會 江西 336100）

1.鋰電池的組成與工作原理

(1)鋰電池的組成

鋰離子電池主要由五大部分構(gòu)成，分別是正極、負極、隔膜層、電解液和粘連劑，其中正極材料的核心構(gòu)成是活性物質(zhì)，主要有LiFePO4、LiNiO2、LiMn2O4、LiCoO2以及三元材料等；負極中含有銅箔，其主要材料有石墨、中間相碳微球、石油焦和碳纖維；隔膜層材料通常是PE（聚乙烯）和PP（聚丙烯）膜；電解液是一種通過溶解或凝膠形式存在的鋰鹽溶液，包括碳酸二甲酯（DMC）。碳酸乙烯酯（EC）等有機溶劑和LiPF6、LiCIO4、LiBF4等電解質(zhì)；粘連劑通常使用聚偏氟乙烯（PVDF）、聚四氟乙烯（PTEE）等材料。鋰電池各部分組成架構(gòu)如圖1所示。

(2)鋰電池的工作原理

鋰電池的工作過程就是一種基于鋰離子在正負極材料之間的遷移和化學反應(yīng)來實現(xiàn)電能的存儲和釋放，詳見圖2。

圖2 鋰電池的工作原理

當鋰電池處于充電狀態(tài)時，外部電源施加正向電壓，使得正極材料中的鋰離子脫嵌（即離開正極），經(jīng)過電解質(zhì)傳導到負極。同時，負極材料中的鋰離子接受電子，通過電解質(zhì)傳導至正極，完成電荷傳遞過程。這個過程稱為充電。

當鋰電池處于放電狀態(tài)時，電池內(nèi)部化學反應(yīng)逆轉(zhuǎn)。負極材料脫除電子，并將鋰離子釋放到電解質(zhì)中，通過電解質(zhì)傳導至正極。正極接收到鋰離子并與電子結(jié)合，形成化合物。這個過程會釋放出電能，從而驅(qū)動外部設(shè)備工作。

2.廢舊鋰電池正極材料的回收價值

正常情況下，退役的動力電池會進行梯度利用，報廢的電池則進行拆解回收。鋰電池的回收一般包括電池外殼的拆分、正負極片與正負極材料的分離、正負極材料的回收利用。其中正極材料的市場容量最大、附加值最高，也是整個鋰電池的主要構(gòu)成部分，占鋰電池成本超過30%，因此屬于重點回收部分[1]。結(jié)合經(jīng)濟、環(huán)境及資源等多方因素來看，廢舊鋰電池正極材料的回收具有以下重要價值：

（1）節(jié)約保護能源資源。鋰電池正極材料中常用的鋰、鈷、鎳等金屬元素，來自對相關(guān)有色金屬礦的開發(fā)和提煉，它們屬于寶貴的自然資源，其資源總量是有限的，人類當前的開發(fā)速度遠遠超過了礦產(chǎn)資源的形成速度，無限制開發(fā)終有一天會枯竭。通過回收廢舊鋰電池正極材料，可以進行新鋰電池和相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)，實現(xiàn)有色金屬資源的最大化利用，這就有助于降低對原礦石的依賴，減少對金屬礦產(chǎn)資源的開發(fā)破壞和節(jié)省能源消耗。

（2）創(chuàng)造更高經(jīng)濟價值。廢舊鋰電池正極材料回收可以促進循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展。循環(huán)經(jīng)濟的核心理念是將廢棄物轉(zhuǎn)化為資源，廢舊鋰電池正極材料中含有鋰、鈷、鎳等多種金屬元素，這些金屬可以重新提煉和用于制造新的電池材料及其他產(chǎn)品，實現(xiàn)資源的循環(huán)利用，可以降低資源開發(fā)和新電池生產(chǎn)的成本投入，提供經(jīng)濟效益。因此具有較高的回收再利用價值，其回收毛利率低則15%，高則70%。另外，回收利用廢舊鋰電池正極材料符合循環(huán)經(jīng)濟的原則，可以有效地延長資源的使用壽命，減少廢棄物的產(chǎn)生。

（3）減輕生態(tài)環(huán)境破壞?；厥諒U舊鋰電池正極材料可以減少環(huán)境污染。廢舊電池正極材料中含有多種有害物質(zhì)，如重金屬和有機溶劑。如果這些材料被直接丟棄或不當處理，可能會對土壤和水源造成嚴重污染。通過回收利用，可以集中處理這些有害物質(zhì)，減少環(huán)境風險和健康風險，有利于維護生態(tài)秩序。

3.廢舊鋰電池正極材料的回收技術(shù)

廢舊鋰電池正極材料的回收技術(shù)主要包括干法、濕法和生物法。這些技術(shù)各有優(yōu)缺（見表1所示），可以根據(jù)廢舊鋰電池的具體情況選擇合適的回收方法。

表1 三種脫硫工藝的優(yōu)缺點對比

（1）干法回收技術(shù)。廢舊鋰電池正極材料的干法回收技術(shù)是一種通過物理和化學方法將廢舊鋰電池正極材料中的有用物質(zhì)分離出來的先進技術(shù)。該技術(shù)的核心步驟是對廢舊鋰電池正極材料進行高溫爐熱解或焙燒處理，將其分解為不同的組分。在高溫環(huán)境中，原本復雜的正極材料會發(fā)生熱解反應(yīng)，使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而方便后續(xù)的分離工作。此過程中，廢舊鋰電池正極材料中的有機膠凝劑和聚合物基質(zhì)會被分解，而金屬氧化物、鋰鹽等有價值的成分則保持相對穩(wěn)定[2]。隨后，利用物理手段對產(chǎn)物進行分離。其中，磁選技術(shù)可以通過磁性差異將含有磁性材料的部分分離出來。由于廢舊鋰電池正極材料中常含有鐵、鈷等磁性金屬元素，通過對這些成分進行磁選，可以有效地將其分離出來。也可以使用重力分離技術(shù)，該方法通過不同材料的密度差異，使其在重力作用下分層沉淀，從而實現(xiàn)分離。

干法回收技術(shù)具有高效、節(jié)能的特點，能夠有效分離出廢舊鋰電池正極材料中的有用金屬和化合物。相比于傳統(tǒng)的濕法回收技術(shù)，干法回收技術(shù)無需使用大量的溶劑和水資源，在處理過程中減少了環(huán)境污染的風險。此外，以高溫爐熱解或焙燒為核心的干法回收技術(shù)還具備較高的自動化程度，提升了回收效率，并且適用于大規(guī)模生產(chǎn)。然而，廢舊鋰電池正極材料的干法回收技術(shù)仍然面臨一些挑戰(zhàn)。一是廢舊鋰電池正極材料的復雜組分使得分解及后續(xù)分離工作變得復雜且耗時；二是廢舊鋰電池正極材料中的有毒、有害物質(zhì)也需要進行安全處理，以防止對環(huán)境和人體造成潛在危害。因此，在推廣應(yīng)用該技術(shù)時，還需要進一步研究和完善相關(guān)的廢棄物處理和環(huán)保政策。

（2）濕法回收技術(shù)。廢舊鋰電池正極材料中含有一定比例的有價值的金屬和化合物，如鋰、鎳、鈷等，通過濕法回收技術(shù)可以將這些有用物質(zhì)提取出來，實現(xiàn)資源的再利用。

首先，濕法回收技術(shù)的關(guān)鍵是選擇合適的溶劑。對于廢舊鋰電池正極材料中的金屬和化合物，不同的溶劑具有不同的溶解能力。因此，在進行回收過程中，需要選取適合溶解目標物質(zhì)的溶劑，以確保有用物質(zhì)可以充分溶解。其次，濕法回收技術(shù)需要通過調(diào)節(jié)溶液的pH值來控制有用物質(zhì)的沉淀。根據(jù)不同金屬和化合物的溶解性規(guī)律，通過改變?nèi)芤旱乃釅A性，可以使目標物質(zhì)在一定的條件下發(fā)生沉淀反應(yīng)，從而實現(xiàn)分離和提取的目的。同時，濕法回收技術(shù)還可以通過調(diào)節(jié)溶液的溫度來影響有用物質(zhì)的溶解和沉淀行為。通常情況下，提高溶液的溫度可以加快目標物質(zhì)的溶解速度，使其充分溶解。而降低溶液的溫度，則有利于目標物質(zhì)的沉淀和分離。因此，在回收過程中需要根據(jù)具體情況進行溫度的控制，以達到最佳的回收效果[3]。另外，濕法回收技術(shù)在回收過程中還可以添加適當?shù)某恋韯约铀儆杏梦镔|(zhì)的沉淀速度。通過與溶液中的目標物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，沉淀劑可以減少沉淀的時間，提高回收速度和效率。但是，在使用沉淀劑時也要注意避免對環(huán)境造成污染，并合理選擇和控制沉淀劑的用量。

（3）生物法回收技術(shù)。生物法回收技術(shù)是利用微生物或生物酶將廢舊鋰電池正極材料中的有用物質(zhì)轉(zhuǎn)化或分解。這種技術(shù)利用生物體的代謝能力和酶催化作用，可以高效地將廢舊鋰電池正極材料中的有機物和金屬離子轉(zhuǎn)化為有用的化合物。使用生物回收技術(shù)時需要遵循以下步驟：

首先，需要選擇適合的微生物或酶來進行回收?？梢酝ㄟ^篩選和培養(yǎng)微生物菌株，或者利用重組DNA技術(shù)構(gòu)建具有特定功能的酶。這些微生物和酶應(yīng)具有高效的金屬離子吸附能力或有機物轉(zhuǎn)化能力[4]。其次，需要將廢舊鋰電池正極材料與選定的微生物或酶一起培養(yǎng)在適當?shù)沫h(huán)境條件下。這些環(huán)境條件包括溫度、pH值、營養(yǎng)物質(zhì)等。通過調(diào)控這些條件，可以使微生物或酶發(fā)揮其最佳的功能。在培養(yǎng)過程中，微生物或酶會與廢舊鋰電池正極材料中的有機物和金屬離子發(fā)生反應(yīng)。微生物的細胞表面或胞內(nèi)可以吸附金屬離子，通過酸處理或其他方法將金屬離子從微生物中提取出來。對于有機物，微生物通過代謝途徑將其轉(zhuǎn)化為其他化合物，例如，將有機溶劑轉(zhuǎn)化為無害的有機酸。最后，在完成相關(guān)反應(yīng)后，需要利用分離技術(shù)將微生物或酶與廢舊鋰電池正極材料進行分離，分離后的微生物可以再次使用，進行連續(xù)循環(huán)的回收過程。

生物法回收技術(shù)在廢舊鋰電池正極材料回收中具有廣闊的應(yīng)用前景。其優(yōu)勢包括高效、環(huán)境友好和資源可持續(xù)利用。通過利用微生物菌株和酶的活性和選擇性，可以實現(xiàn)對廢舊鋰電池正極材料中有機物和金屬離子的高效轉(zhuǎn)化和分解。這種技術(shù)的應(yīng)用不僅可以減少廢物產(chǎn)生和處理成本，還可以為鋰電池產(chǎn)業(yè)提供更多的可再利用原料，推動行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。盡管生物法回收技術(shù)具有許多優(yōu)點，但也面臨一些挑戰(zhàn)和限制。例如，微生物的培養(yǎng)和維護需要較高的成本和精確控制地環(huán)境條件[5]。此外，微生物的生長速度和酶的活性受到許多因素的影響，如溫度、pH值、營養(yǎng)物質(zhì)等。因此，為了實現(xiàn)生物法回收技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用，還需要進一步的研究和改進。

4.結(jié)語

鋰電池作為一種新型能源，是未來社會生產(chǎn)生活的重要支持，具有良好的發(fā)展前景。但鋰電池同樣面臨報廢后處置不當帶來的環(huán)境污染、資源浪費等系列問題。回收利用是最佳的解決途徑，其中又以正極材料的回收利用為主。現(xiàn)有的回收技術(shù)中傳統(tǒng)的濕法和干法技術(shù)比較成熟，但工藝流程長、浸出液凈化耗能高，而生物回收法耗酸低、重金屬溶出率高、成本效益好，但菌種的選擇與培養(yǎng)，浸出條件的控制等仍具有難度。在實際應(yīng)用中需要結(jié)合相關(guān)技術(shù)特點、廢舊鋰電池的特性和正極材料的回收要求等進行綜合思考、合理選用，以達到最佳的回收利用效果。