废旧动力电池正负极粉回收工艺的设计与探究

成 佐 何秀玲

（广东环境保护工程职业学院环境科学系 广东佛山 528216）

引言

2017年中国锂电池总产量47.13Gwh，其中，动力电池产量16.9Gwh，占比36.07%，权威机构测算，到2020年动力锂电池的需求量将达到125Gwh，报废量将达32.2Gwh，约50万吨，这意味着产生大量的废旧锂电池将随之产生。废电池中平均含锂1.9%、镍12.1%、钴2.3%，具有极高的回收价值。与传统有色金属生产企业相比，利用废旧电池开发再生有色金属，能源消耗可降低85-95%，生产成本可减少50-70%，更具有良好的发展前景[2-3]。本文主要针对如何回收高效废旧动力电池中正负极粉以及新工艺的设计进行了探究。

1 传统正负极粉的回收方式

电池由输送机送入一级撕碎机中进行撕碎，撕碎后的物料通过输送机送入二级多刀破碎机中进行第二次破碎，二次破碎后的物料进入到输送机中同时设置磁选设备，可以将物料中的铁分选出来。分选后的物料经输送机送入气流分选机，通过引风机和旋风下料器把正负极中的隔膜纸分离出来，把分选后的正负极片进入到三级粉碎机中进行细碎，将物料粉碎到20目左右。粉碎后的物料由负压系统进入到旋风分离器中进行粉尘过滤，并通过两次气流分选，使不同密度的物质进行分层，然后得到正负极材料与铜、铝、镍等材料，而所有的超细粉尘由负压系统带入脉冲除尘器中进行收集。

传统工艺有以下缺点：

（1）采用多级破碎分选容易造成正负极粉的损失，降低正负极粉的回收率；

（2）采用纯物理机械方式很难将正负极粉从集流体上脱落下来，导致正负极粉包覆在铜铝里面；

（3）采用传统工艺无法将电解液除去，正负极粉上会有残留的电解液，电解液易挥发对周边环境造成严重影响；

（4）采用传统工艺得到的正负极粉上面容易有粘结剂的包覆，对后期材料的萃取工段非常不利。

综上所述，采用传统工艺对正负极粉的回收极其不利，因此需要在传统工艺的基础上设计出新工艺，达到不仅有较高的回收率，同时能够除去正负极粉中的粘结剂和电解液等杂质。

2 正负极粉回收新工艺的设计

鉴于目前采用传统正负极粉回收工艺存在上面提到的缺点，本文在传统工艺的基础上，提出一种新的正负极粉回收工艺，即破碎-热解-筛分新工艺。具体的工艺流程图如下：

图1 正负极粉回收工艺流程图

2.1 工艺介绍

废锂离子电池正负极粉的回收工艺如下，废锂离子电池经过抓斗机装入振动加料机，然后通过密封输送机运至破碎系统，在破碎系统内进行物料的破碎，破碎后的碎料经过输送机运至密封式储料仓，储料仓主要用于碎料的缓存，以利于整套工艺的连续性；置于储料仓内的碎料进入低温煅烧炉，经过低温煅烧炉之后的碎料首先进入水冷中间储料仓，再进入振荡式分选机，将碎料中的黑粉分选出来；分选出黑粉后的碎料进入高频磁选机，将碎料中的钢壳分选出来；剩余碎料进入涡电流分选机进行铜铝的分选。至此，实现了废锂离子电池中正负极粉的回收。

2.2 工艺探究

本工艺中从废锂离子电池中回收正负极粉主要经历3个步骤：破碎-低温煅烧-筛分，具体如下：

（1）破碎：废锂离子电池通过密闭输送带送入破碎机，将要破碎的废电池通过进料系统投入破碎室，机箱内部的推料装置把废电池送至高速运转的刀辊处，通过动刀和定刀的剪切，使原料快速破碎，直至碎料粒径小于筛网孔直径后漏出，经破碎后的电池碎片尺寸在12mm以下。

（2）低温煅烧：采用低温煅烧可以有效的除去废锂离子电池破碎后碎料中存在的有机杂质，将粘结剂、残余的隔膜纸以及电解液有机物在低温下进行低温煅烧处理，实现了无污化处理，同时电解液中的F通过低温煅烧进入尾气中，避免了电极材料中F的存在；粘结剂在低温下进行低温煅烧，使得电极材料从集流体上完全脱落。

电池破碎后，正负极粉是粘在正负极片上的，必须经过一定温度的低温煅烧，低温煅烧后粘结剂失去粘性，黑粉才能从集流体上脱落，这是本工艺实现黑粉高效回收的关键。

（3）筛分：低温煅烧后，集流体上的正负极粉已脱落下来，通过筛分，可以将小颗粒的正负极粉筛分出来，实现正负极粉与其他物料的分离。由于正负极粉的颗粒相对于其他碎料较小，通过筛分很容易将正负极粉筛分出来，同时铜铝、钢壳中没有正负极粉的包覆，回收率高。

2.3 工艺效果

（1）破碎：经过完全放电之后的废锂离子电池，送入破碎设备内进行破碎，经过反复的试验与分析，将电池破碎的历经控制在12mm左右，对后续低煅烧和分选极其有利。

（2）低温煅烧：由于正负极粉通过粘结剂粘附在集流体上，如果简单的破碎分选很难将正负极粉完脱附下来，本文通过提出低温煅烧将粘结剂失去活性，从而正负极粉很容易的从集流体上脱附。破碎后的碎料主要有：钢壳、正负极片、隔膜纸以及少量的电解液，在低温炭化的过程中，可以将隔膜纸、电解液以及正负极片的粘结剂全部炭化，因此低温煅烧后的碎料在颜色上相对于煅烧前黑一些。

（3）筛分：低温煅烧后的碎料，经过筛分可以将正负极粉分选出来。

结语

废锂离子电池破碎设备，采用刀片式切割快速破碎方式，作用及较为集中，发生局部快速破裂，提高了破碎效率，提升工作效益；破碎后的碎料直接在12mm左右，易于后期处理工段。采用低温煅烧工艺可以有效的除去废锂离子电池破碎后碎料中存在的有机杂质，将粘结剂、隔膜以及电解液有机物在低温下进行炭化处理，实现了无污化处理，同时电解液中的F通过低温炭化进入尾气中，避免了电极材料中F的存在；粘结剂在低温下进行炭化，使得电极材料从集流体上完全脱落，提高了正负极粉的回收率。