退役动力电池智能拆解、破碎与物料归集技术及其成套装备的研制

马成，薛辛，殷康健，朱龙冠

（株洲鼎端装备股份有限公司，湖南 株洲 412000）

0 引言

随着电动汽车关键部件——电池逐渐达到使用寿命，动力电池报废量将越来越大。预计到 2020年，我国车用动力电池需求量将达到 125 GWh，报废量将达到 32 GWh，报废电池折算后质量将达到约 50 万t；到 2030年，车用动力电池的报废量将达到 101 GWh，报废动力电池质量约 116 万t。

目前，废旧动力锂离子电池的回收方式主要有 2 种：一是梯次利用——针对容量下降到原来的 70 %～80 %，无法在电动汽车上继续使用的电池，进行梯次利用，使这些电池可在其他领域，作为电源继续使用一定时间；二是拆解回收——主要针对容量下降到 50 % 以下，无法继续使用的电池，只能将电池进行拆解和资源化回收利用。

因为锂电池的使用具有一定的生命周期，所以使用一定时间后就要报废，即使采取梯次利用，最终也要报废。锂电池由壳体、正极（铝基片）、负极（石墨与铜基片）、电解液、隔膜等组成。如果不进行拆解及分选，就无法回收废旧电池中的有价材料和成分。锂离子电池的正极活性物质多为嵌锂金属氧化物，如 LiCoO、LiNiO、LiFePO 和 LiVO 等[1]。负极活性物质多为石墨、钛酸锂等。电解液的溶质多为 LiPF（目前商用的），而溶剂一般为碳酸甲酯、碳酸乙酯和碳酸甲乙酯等[2]。如何实现对有经济价值的材料高效回收与对无经济价值组分的无污化处理是笔者研究的重点[3-5]。为减少环境污染，提高再生资源综合利用水平，笔者对退役动力电池智能拆解、破碎与物料归集技术进行了研究，设计了相关的成套装备，构建了 1 种高回收率、低能耗、无污染的退役动力电池综合回收新工艺。

1 退役动力电池前处理工艺

根据 USABC 的相关评估标准，动力电池的使用寿命终止判定指标为实际容量下降到标称容量的80 % 以下。对判定使用寿命终止的动力电池进行回收和二次利用将会大大减轻对环境的污染。而对不再拥有使用价值的废旧动力电池则以循环再造的形式进行再制造。

目前，国内外对废旧锂离子电池的回收过程是：首先，将电池彻底放电；其次，对电池进行拆解、破碎，分离出正极、负极、隔膜等各组成部分；然后，再对电极材料进行碱浸出、酸浸出、除杂后萃取，以实现有价金属的富集。在回收过程中，电池的拆解、破碎、分选是提高资源再生利用率的前提。目前，我国工业上针对该阶段的技术主要为干法回收技术。但是，传统的干法回收技术是通过机械分选法，利用电池不同组分的密度、磁性等物理性质的不同，采取破碎、筛分等手段将电池材料粗筛分类，实现不同有用金属初步分离回收的目的。由于锂离子电池的结构比较特殊，活性材料和集流体粘合紧密，不易解体和破碎，在筛分和磁选时，存在机械夹带损失，很难实现金属的完全分离回收。同时，传统的干法回收技术也无法保证方形动力电池的处理。因此，需要对现有的技术工艺进行升级改造[6-10]。

通过对我国现有技术的总结，以及对国外技术的分析研究，研制出一条适合中国工业化的退役动力电池智能拆解、破碎与物料归集技术，可以实现智能拆解、高效破碎，有效分选。具体工艺流程图如图 1 所示。

图1 工业化的退役动力电池智能拆解、破碎与物料归集技术流程图

退役后的动力电池首先经过余能检测。对于性能较好的电池，首先进行梯级利用，主要用于储能；对于性能较差的电池，首先进行智能拆解，将电池组拆解成电池单体，对拆解得到的塑料外壳与金属外壳进行分类回收归集。由于拆解后得到的单体电池仍带有少量的电量，为了保证后续工段的安全性，需要对电池进行放电处理。在破碎分选之前，放电后的单体电池在表面的水分被除去后，才能进入原料仓。

废电池原料从上料储料仓开始，经由电磁振动给料机，被送到二级破碎系统。经破碎后的物料进入多效分选工段。在这里，可分选出钢壳（铁）、塑料和隔膜。剩余的物料被送入炭化炉，在旋转的炭化炉中边被加热，边被往前送出。因为炉子被安装得具有一定的倾斜角度，所以炉子每转 1 圈，物料就在旋转到上方时落下，而落点与起点之间的距离就是物料每次随炉子旋转半圈后前进的距离。物料在炉中停留约 1 h 后出炉，经螺旋输送机，被送入冷却料仓，储存，及降温。冷却仓以水为介质，进行间接冷却，并配有冷却水塔。

冷却仓中的物料被送入下一级分选（主要为筛分）。筛分的主要设备为圆振动筛。筛下物黑粉随负压气流上升，进入旋风除尘器，接着经进一步分离后，从上部被吸进布袋除尘器，然后从除尘器下方被排出，进入负吸管道到黑粉料罐储存。筛上物被送进三级破碎系统，进行第 3 次破碎。破碎后物料向上被输送到分离器中。因为物料体积突然膨胀，重料铜片、铝片落下进入下一级分选。旋风除尘器中的极小铜片、铝片落下进入圆振动筛。圆振动筛进一步振动铜、铝片，对铜、铝片可能带有的黑粉继续过筛。筛下的黑粉再经负吸管道，进到黑粉料罐中储存。筛上物铜、铝片进入跳汰机，经水力分选。分出的铜片、铝片各自装袋入库。

放电工段与炭化工段产生的废气经收集后，经过废气管道，进入二次燃烧室，进行再次的高温燃烧。产生的高温烟气再通过耐高温管道，进入烟气换热器（配有冷却水塔）。高温烟气经换热器降温后，进入布袋除尘器，使烟气中的粉尘被收集，之后再一次进入碱式喷淋塔与活性炭吸附塔，以除去烟中含有的酸性与有机成分，最后通过烟囱被排放。

2 智能拆解、破碎与物料归集技术及其成套装备（见图 2）

首先，对退役的方形动力电池进行识别分选与智能化转载输送。根据电池的尺寸、体积进行识选，并将电池转载至下一工段。其次，采用电池包（模组）的智能化拆解系统，实现拆解过程的智能化和高效化。再次，使拆解后得到的电池单体通过自动化的破碎系统，保证物料的一致性，实现电池单体安全、高效的破碎。然后，使破碎后的物料进入清洁化的热解系统。在热解系统中不仅可以提高正、负极材料的回收率，而且可以实现碎料中有机物的无污化处理。最后，进行智能化的物料归集，将单体破碎后物料中的钢壳、塑料、正负极粉，以及铜铝粒归集。因此，主要研究任务如下所示：

2.1 智能化的识别、分选

采用高精度的测量光幕在线检测退役动力电池的外形尺寸和体积，测量退役动力电池的长、宽、高和体积等。具体方法如下：① 当退役方形电池在匀速输送带上时，需要 2 套测量光幕，测量退役方形电池的宽度和高度，并由输送带的传送速度和 2 套测量光幕的关系，精确计算出方形电池的体积；② 当退役方形电池在非匀速输送带上时，需要 3 套测量光幕，测量退役方形动力电池的长度、宽度和高度，然后准确计算出方形动力电池的体积；③ 当退役方形电池在静止平台上时，需要 3套测量光幕测量退役方形动力电池的长度、宽度和高度，计算出退役方形动力电池的体积。

检测出电池的外形尺寸后，再通过计算机编程控制机器人或者机械手对不同尺寸的退役电池进行分类，实现了退役方形动力电池的识别与分选。

2.2 智能化的转载运输

退役方形动力电池转载和输送装置主要包括用于转载的机械手和密封链带输送机。转载机械手可以自由旋转、伸缩或者移动。根据识选出的不同型号的电池，通过编程控制机械手的抓取，将抓取后的物料放置输送带上。设计上带有机器视觉目标精准检测的电池转载机械手控制系统包括工控机和机械手控制系统。视频目标监测系统包括实时采集物品抓取区图像信息的可见光探测器、视频信号放大器、高频滤波器、A/D 转换器、DSP 视频信号处理控制器。DSP 视频信号处理控制器通过 CAN 接口卡、CAN 总线与工控机连接。

通过在电池转载机械手中加入物品目标检测功能，可以使转载机械手对不同形状，不同大小的物品具有较强的适应性，不需要因物品形状和大小改变，而重新进行示教工作，减小了机器人操作的复杂程度，同时由于可以精确获得物品的尺寸大小，也具有较高的抓取精度。

2.3 智能化的拆解系统

现今，废旧动力电池模组的拆解多数采用全人工拆解方式。这种拆解方式不仅危险性大，而且噪声大，流程长，效率不高，对工人的身体也会造成一定损伤。采用智能化、自动化的废动力电池包（模组）拆解系统，可以提高电池模组拆解的工作效率，极大地降低劳动强度。

智能化的拆解系统包括送料设备、切割定位设备、自动切割设备、出料滚道和拆解工作台。沿着废旧动力电池模组的行进方向，依次设置送料设备、切割定位设备、出料滚道和拆解工作台。自动切割设备中的切割装置位于切割定位设备的正上方。送料设备、切割定位设备、自动切割设备、出料滚道和拆解工作台分别为独立的模块。由这些模块拼合成连续的生产线，便于安装和维护，且具有较高的自动化程度，可自动完成定位和切割加工。

送料设备中采用了可编程的机器人或机械手，通过对电池包（模组）的成像，并根据废旧动力电池包（模组）的尺寸，调整切割装置，从而可实现切割的准确定位。送料机器人或机械手可实现电池包（模组）的翻转、旋转。

切割装置包括通过滚珠丝杠上下运动的机架、固定在机架上的固定锯片、平行设置在固定锯片右侧位置的左右可调的活动锯片。这种结构的切割装置可依据废旧动力电池模组的形状和尺寸，调节固定锯片和活动锯片之间的间距，切割废旧动力电池模组的左右两端；之后，再通过机械手，抓取电池包（模组），重新调整电池包（模组）的位置，再次切割，实现电池包（模组）4 个侧面外壳的准确切割；然后，再通过机器人机械手取出电池单体。

出料滚道包括 2 条平行设置的沿着左右方向延伸的导向槽。导向槽之间装有多条滚轴。采用这种结构的导向槽可容纳退役动力电池包（模组）的支撑脚，同时避免其偏移。滚轴的作用是便于推出退役动力电池包（模组），节省人力。

拆解工作台的台面与导向槽的底部等高，保证退役动力电池包（模组）顺利从出料滚道进入拆解工作台。

总的说来，这种智能化拆解系统具有如下优点：采用了可编程的机器人或机械手、自动化的定位设备和切割设备；可快速、高效地拆解退役动力电池包（模组）；增强了拆解的安全性，减轻工人的劳动强度；便于集中处理拆解下来的外壳。

2.4 自动化的破碎系统

此工段处理的废锂离子电池为模组经拆解后的单体电池。单体电池在进入破碎前，需要对其进行放电处理。对角尺寸在 25 cm 以下的电池均要可处理范围之内，所以兼容性较高。

自动化破碎系统包括多级破碎：一级高速旋转齿辊式破碎机、二级高速旋转齿辊式破碎机和三级高速旋转刀片式破碎机。一级高速旋转齿辊式破碎机，也可被称为粗破机，将单体电池快速切断。切断后物料的尺寸在 5～10 cm。整套装置被置于密封罩内，有效地防止了破碎过程中溢出的电解液挥发至空气中。二级高速旋转齿辊式破碎机将一级破碎后的物料通过动刀和定刀的剪切，使电池料被快速打开、破碎，直至碎料粒径小于筛网孔径后漏出。经破碎后电池碎的片尺寸在 10～17 mm。三级高速旋转刀片式破碎机，也可称之为摩擦打散工段，被设置在整体系统的后段，主要处理热解子系统出来的物料，将热解后的碎料进行摩擦打散，把碎料破碎成更小的颗粒（粒径在 2～5 mm）。

2.5 清洁化的热解系统

锂离子电池破碎后碎料中存在的有机物主要为电解液、粘结剂，以及隔膜等无回收价值的组分。为了提高经济价值较高的电池材料的回收率，要对破碎后物料中有机物进行低温热解处理，并且保证低温热解过程高效、安全、环保。清洁化的热解系统主要包括热解系统和烟气的清洁化处理系统。

热解系统的主体设备为低温热解炉，并配备天然气燃烧系统。破碎后的物料经过密封式输送器，被输送至低温热解炉内进行处理。在低温热解炉的前端设有燃烧室，主要用于天然气的燃烧。

清洁化的烟气处理系统主要包括二次燃烧室、烟气冷却塔、布袋除尘器、碱式喷淋塔，以及活性炭吸附塔。由低温热解炉产生的烟气首先进入二次燃烧室，进行再次的高温充分燃烧。产生的高温烟气进入烟气冷却塔，经降温后进入布袋除尘器，再经除尘后依次进入喷淋塔、活性炭吸附塔，最后经烟囱排出。

2.6 智能化的物料归集

针对破碎后钢壳和塑料，以及热解后正负极材料、铜粒、铝粒，需要进行物料归集。智能化的物料归集可实现电池中各组分的高效回收与分选，实现正极材料的高回收率。

智能化的物料归集主要用于电池破碎后碎料中各组分的分选，包含多级分选：① 碎料中的黑粉通过多级振荡筛进行分选；② 碎料中的隔膜、塑料，以及钢壳通过多效分选机进行分选；③ 碎料中的铜、铝通过铜、铝分选机进行分选，得到铜、铝金属。由于每台设备对碎料中的物料分选具有专一性，再分选过程中其他成分的夹杂较少，可提高物料的分选效率。在物料归集过程中，通过编程控制，实现物料精确分选、归集。最终将实现：正负极粉总回收率 ≥98 %，钢壳回收率 ≥99 %，铜回收率 ≥95 %，铝回收率 ≥95 %，隔膜回收率 ≥80 %。

图2 工业化的退役动力电池智能拆解、破碎与物料归集系统

3 结论

笔者通过测量光幕可快速准确地进行电池的识选，通过带有机器视觉目标的电池转载机械手控制系统，精准实现对电池的抓取，解决了退役方形动力电池的多维识选与智能转载难题。为了解决电池中贵重组分的高效归集回收，笔者研制的智能化拆解系统，通过机器人或机械手作业，及电脑成像等技术，实现了拆解过程的准确定位与高速作业。针对拆解后得到的单体电池，笔者研制出自动化的破碎系统。该破碎系统分为多级破碎：一级粗破碎、二级主破碎、三级细破碎。整套系统可实现自动化生产、编程控制。单体电池经过二级主破碎后，为实现碎料中无经济价值的有机成分无污化处理，满足生态环保要求，笔者研制出一种清洁化的热解系统，将碎料送至该系统，通过热解将碎料中无回收价值的有机成分无污化处理，再通过清洁化的烟气处理系统处理热解过程中产生的烟气。为实现物料的高效分选与回收，笔者设计了物料的智能化归集系统，针对物料中不同的组分，研制出相应的专一性成套装备，通过控制系统分选出相应的物料成分。