废弃锂离子电池回收处理的污染物分析

胡朝锋 程树国

河南华瑞高新材料有限公司 河南新乡 453000

1 实验及分析方法

1.1 样品收集

实验开始前首先对样品进行准备，钴酸锂电池可以从日常不能使用的电子产品中进行回收。磷酸铁锂电池通过从电动公交车上不能在使用的电池中进行回收。

1.2 放电处理

对于回收到的锂离子电池，需要进行放电处理，放电处理既是为了保证在回收处理的过程中有足够高的安全性，防止出现意外事故。在本次实验中使用饱和氯化钠溶液进行浸泡达到放电效果，浸泡的时间要确保在16小时以上，以保证电池处于完全放电态。

1.3 拆解

对放电处理后的电池进行拆解分离，将外包装、金属外壳或铝塑膜、正负极极柱等分解开。分解的锂离子电池主要包括：外部包装、金属外壳或铝塑膜、正负极极柱、正负极极片和隔膜[1]。

1.4 成分分析

将拆解后的锂离子电池各部分取样并粉碎，利用微波进行前处理。使用硝酸和盐酸为微波消解溶剂，微波消解溶剂的温度应该控制在合理范围内，时间为20分钟，利用电感耦合等离子体原子发射光谱仪分析金属含量，包括Li、Al、Mn、Fe、Co、Ni、Cu。

1.5 热处理

为了使锂离子电池回收处理的方式更加简单，在此次试验中主要将废锂离子电池的内部成分取出之后直接投入到高温反应炉中进行热处理，通入反应气体并且控制不同的温度，通过热处理将废锂离子电池中的非金属成分进行分解，将热处理后的残余成分回收。

1.6 采样分析

采样分析是实验中的最后环节，对燃烧室的温度、气体流量等进行全程的监控，并且对温度以及流量进行及时的调整，达到实验的规定范围。用烟道气体分析仪对燃烧的废弃成分进行严格的监控，应用标准方法对热处理后的残余物中的金属含量以及燃烧排气中的重金属浓度进行检测，对金属中排出的气体以及残余金属量分布情况分析[2]。

2 结果与讨论

2.1 废锂离子电池组成与成分分析

此次试验主要是对应用比较广泛的、不同牌子的废钴酸锂电池进行拆解，主要有外部包装、金属外壳或铝塑膜、正负极极柱、正负极极片和隔膜等部分。试验结果表明，不同品牌的废锂离子电池因为材料以及设计有所不同，各部分的占比存在差距，每只钴酸锂电池的重量在17到26克之间。为了得到废钴酸锂电池的主要金属成分和含量，将上述电池拆解后的正负极极片同时进行微波消解，并且应用ICP-AES对金属的成分以及含量进行分析，结果表明：锂 5．27%、铝 9．91%、钴 46．97%、镍 0．48%、铜 37．34%。此次试验对废磷酸铁锂电池进行拆解并分析成分，每只废磷酸铁锂电池重量大约为350克，与钴酸锂电池相比其重量以及体积相对较大其主要组成为：金属箔（正极）52．51%、石墨（负极）24．56%、隔离膜 7．93%、金属外壳 9．93%、外部包装（含电极）0．73%。

2.2 废锂离子电池不同热处理条件的残余金属量

（1）对不同热处理温度进行比较。不同处理温度对废锂离子电池处理后的残余物含量的高低区别是非常大的，实验中将温度控制在400、600、800摄氏度，在去掉外壳的锂离子电池在进行热处理之前对质量先进行检测，经过热处理之后的废锂离子电池再次进行质量检测，然后对热处理残留物的比例进行计算。实验的最终结果可以了解到，在温度为400摄氏度时钴酸锂电池与磷酸铁锂电池中残留物的数量较多，比例较大，温度在600和800摄氏度时，对残留物的检测可以发现比例与废锂电池不燃物的比例相符合[3]。

（2）对不同热处理气的比较，不同热处理气包括空气、N2、Co对于废锂离子电池热分解程度和回收处理的影响。分别用上述的气体作为进流气体进行实验。实验温度保持在600摄氏度 。通过实验可以得知，进流气体是N2或Co时残余物比例较高，产生这种现象的原因是热处理气为惰性或还原性时分解的机制为热裂解和热还原，属于一种自发性反应，对于锂离子电池中的隔膜以及石墨无法进行完全的分解。

（3）不同热处理时间与处理量的比较。为分析不同热处理时间与前处理程序（拆解与未拆解）对废锂离子电池回收处理效率的影响，此阶段将废锂离子电池仅去除外部金属壳后即投入高温炉进行实验，并延长操作时间至 50分钟；此外，为分析不同处理负荷量对废锂离子电池回收处理效率的影响，本阶段另一实验投入 2倍废锂电池量于高温炉内实验。实验中其他操作条件保持不变，将热处理前后的废锂离子电池样品分别测质量，并分析热处理残余物比例及金属含量，通过实验可知，废锂离子电池未经拆解就进行热处理时，废锂电池的残留物比例较大。当处理负荷量提高时，磷酸铁锂电池的残留物比例较大，而钴酸锂电池的残留物比例较小，产生这种结果的原因是磷酸铁锂电池的隔膜与其他杂质含量比例较钴酸锂电池高有关。

2.3 热处理金属气固流向分析

为了对钴酸锂电池以及磷酸铁锂电池在不同热处理温度过程中的排放情况，实验中同时对燃烧排气中的重金属浓度进行分析，实验后对于吸收液进行分析，结果显示出排出的气体的金属浓度均较低。

3 结语

本文对废锂离子电池的回收处理污染物进行了分析，得出结论，在热处理温度较低时（400℃）无法将隔离膜等杂质完全燃烧，影响热处理残余物比例与金属含量，当燃烧温度升至600-800℃是，可以快速烧除非金属物质以及有害成分，有利于废锂离子电池的回收和减少污染的排放。不同进气组成对废锂离子电池热处理效果与金属含量的影响不大，如果考虑到成本问题，在三种不同热处理操作气中，应该首先选择空气。废锂离子电池热处理过程中的气体污染物排放浓度以600℃较低，从污染防治的角度分析，燃烧温度控制在600℃为最合适的操作条件。