锂离子电池生产中的主要环境影响及污染防治

李晓玲

（深圳市立拓环保科技有限公司 广东深圳 518000）

引言

长期以来，人们一直以燃油车作为主要的交通工具，极大地方便了人们的生活。但目前的研究表明，传统燃油汽车排放的尾气中含有一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物、二氧化硫、颗粒物等污染物，容易造成大气污染和“温室效应”[1]。同时，随着石油资源的日趋枯竭和人们的环保意识的逐渐提高，寻求清洁、高效和可持续的交通出行方式是当前的研究热点之一[2]。

新能源汽车已成为未来汽车工业的主要发展方向之一，是应对气候变化、实现“碳中和”的重要战略举措。锂离子电池具有可充电、体积小、质量轻、能量高、循环寿命长、充电快、绿色环保等优点，是新能源汽车理想的能量载体[3]。目前，国内锂离子电池工业发展迅速，但在制造过程会产生一定的负面环境效应，需采取有效的防治技术减轻其环境影响，促使锂电池产业与生态环境协调发展。本文从锂电池制造工艺及使用的原辅材料角度出发，分析其生产过程中的主要污染物及其环境影响，提出污染防治的技术要点、环境管理及监管要求，为环境管理人员提供一定的技术参考。

1 锂离子电池的结构、主要原辅材料及潜在的环境危险性

锂离子电池主要由正极、负极、有机电解液、隔膜、电池外壳五大部分组成，主要依靠锂离子在正极和负极之间的移动来实现充放电。充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时，负极的锂会失去电子成为锂离子，通过隔膜经过电解液向正极方向迁移并进入正极材料中储存。

锂离子电池生产过程中的主要原辅材料包括正负极电极材料、正负极极流体、溶剂和电解液等。原辅材料的毒性及潜在的环境危害概况如下：

（1）正负极电极材料：目前正极材料主要使用钴酸锂（LiCoO2）、镍酸锂（LiNiO2）、锰酸锂（LiMnO2）、磷酸铁锂以及三元材料镍钴锰酸锂等。钴、镍锰等为重金属，具有一定的毒性效应，可危害人体健康。负极材料一般是石墨，粉尘经呼吸道吸入会引起呼吸道疾病[4]。（2）正负极集流体：正极一般使用铝箔，负极一般使用铜箔，为金属材料，废边角料具有资源回收价值，但若管理不善进入自然环境，对环境也有一定影响。（3）溶剂：正负极材料制浆过程，需加入溶剂溶解正负极材料。正极主要使用N-甲基吡咯烷酮（NMP），属于挥发性有机物，微毒；负极使用纯水，无毒。（4）电解液：电解液在电池中起到传输离子的作用，由有机溶剂和锂盐电解质组成。有机溶剂一般为有机碳酸酯类物质，包括碳酸二甲酯、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸甲乙酯等，为易燃挥发性有机物。锂盐主要为六氟磷酸锂，遇水则分解生成氟化氢（HF），有腐蚀和毒害作用，对眼睛、皮肤、肺部等有侵蚀作用。（5）其他：外壳、隔膜、粘结剂等。原材料为金属、塑料、高聚性材料等，在生产过程中必须注意一般工业固体废物的规范化处理处置。

因此，在锂离子电池制造过程应重点关注正负极材料、NMP 及电解液产生的环境污染问题，并做好挥发性有机物的回收及处理。其中，含铜、铝等废弃物的处理应严格执行相关环保要求。

2 主要污染物排放及环境影响

锂离子电池的生产工艺大体一致，主要包括电极极片制作、电芯装配、模组组装等工序，且生产过程中将会产生一定的废气、废水、噪声及固体废物。生产过程中的大气污染物主要为颗粒物，系正负极制浆配料产生含有炭黑、钴、镍、锰等重金属元素的粉尘。研究表明，颗粒物对可见光有很强的散射作用，从而降低大气能见度，引发城市雾霾天气。人体长期吸入高浓度的有毒重金属颗粒物，也会引发呼吸道疾病。涂布烘干、注液、预封、Degas 排气及二封等过程将产生挥发性有机物（VOCs）（含NMP 的有机废气以及可能含氟化氢的电解液挥发有机废气）。VOCs 是形成细颗粒物（PM2.5）、臭氧（O3）等大气二次污染物的重要前体物，可引发光化学烟雾等大气环境问题。同时，排气、二封工序将产生少量氟化氢（HF）。氟化氢易溶于水形成氢氟酸，对水体造成污染，同时，氟化氢具有刺激性、腐蚀性的有毒气体，污染大气环境并会刺激呼吸道粘膜和皮肤，危害人类健康。此外，废水处理过程会产生恶臭废气，刺激人体嗅觉器官。生产过程中的废水主要来源于正负极制浆及涂布设备清洗等产生的清洗废水，具有低pH、高化学需氧量（CODCr）、高悬浮物（SS）和高氨氮（NH3-N）、镍（Ni）、钴（Co）、锰（Mn）等特征。含镍（Ni）、钴（Co）等重金属污染物的废水的直接排放将对厂区周围水环境产生较大影响，且底泥及水生动植物体内的镍会不断积累最终进入食物链，影响人类健康，严重时会造成镍中毒，具有致癌和对生殖系统的潜在危害[5]。生产设备、公辅设备如冷却塔、水泵、风机等的运行会产生噪声污染，影响敏感点的声环境质量。研究表明，噪声污染对人体的危害是多方面的，能对听觉系统和非听觉系统产生不良影响，干扰休息和睡眠，降低工作效率。同时，噪声污染会影响心血管及中枢神经系统的健康，引发头晕、头痛、心慌、记忆力减退等症状，严重者可产生精神错乱[6]。生产过程中产生的固体废物主要包括一般固体废物和危险废物。一般固体废物主要有废铝箔、铜箔、废隔膜等，而危险废物主要有在注液和电解液贮存过程中产生的废电解液及电解液包装桶等。一般固体废物若不进行资源化回收利用，将会造成资源浪费，同时污染周围环境，危险废物若不妥善收集和处理将会造成严重的环境污染。

3 污染防治技术要点

3.1 废气污染防治技术要点

除尘是治理粉尘污染的有效措施，主要依托除尘器等设备实现。除尘器除尘效率较高，主要有机械式除尘器（如重力沉降室、惯性除尘器、旋风除尘器）、湿式除尘器（喷淋塔、填料塔等）、袋式除尘器（如脉冲布袋除尘器等）和静电除尘器等。锂离子电池生产过程中需将固体粉状物料加入制浆系统进行搅拌制浆，会产生含有正极或负极电极材料的配料粉尘，主要为含炭黑、钴、镍、锰等重金属元素的颗粒物。一般设置密闭微负压制浆车间，粉尘经收集后进入湿式除尘器（喷淋塔、填料塔等）或者高效过滤网除尘后高空排放，可有效降低粉尘中颗粒物的排放浓度和速率，降低对周边的环境影响程度及范围。

生产过程产生的有机废气，研究表明，国内挥发性有机废气污染防治末端治理技术主要有回收利用技术和销毁技术。常用的回收利用技术有冷凝法、吸收法、吸附法、膜分离法；常用的销毁技术热力燃烧法、催化燃烧法、生物降解法、UV 光催化降解法、低温等离子体技术法。冷凝法是使废气降温至VOCs 成分的露点之下，使其冷凝为液态后加以回收的方法，多适用于高浓度、成分单一且有回收利用价值的VOCs 处理。吸附（收）技术是利用吸附（收）剂与污染物质VOCs 进行物理结合或化学反应将污染物去除，如活性炭吸附、双氧水化学洗涤等，适用于中低浓度VOCs 废气净化。NMP作为锂离子电池生产制浆过程一种重要溶剂，具有回收利用价值，宜采用回收法如冷凝法技术处理其产生的含NMP 有机废气。含氟化氢的电解液挥发有机废气等，可采用碱液喷淋+活性炭吸附、双氧水化学洗涤等措施控制此类污染物的排放。实际生产中可根据有机废气特点，采用回收利用技术与销毁技术结合的处理技术、多级处理技术等。如UV 光催化降解法+活性炭吸附法、冷凝法+活性炭吸附法等，使生产过程中的有机废气、氟化氢废气等得到有效处理并达标排放。

污水处理站处理污水过程还会产生少量恶臭废气，主要污染因子为硫化氢、氨、臭气浓度。恶臭废气处理技术主要有三类：一是物理方法，主要有水洗法、物理吸附法、稀释和掩蔽法；二是化学方法，主要有药液吸收（氧化吸收、酸碱液吸收）法、化学吸附（离子交换树脂、碱性气体吸附剂和酸性气体吸附剂）法等；三是生物学方法，主要有生物滴虑、生物过滤和生物吸收法。一般情况下污水处理站恶臭废气产生量较小，经采取密闭负压收集，联合除臭如化学药液吸收+生物滴虑+活性炭吸附工艺处理后，恶臭废气可达标排放，对周围环境影响不大。

3.2 废水污染防治技术要点分析

锂离子电池生产过程会产生设备清洗废水。正极设备清洗与采用的清洗介质有关。若采用纯水清洗，则废水中主要污染物为pH、COD、SS、NH3-N、Ni（镍）、Co（钴）、Mn（锰）等，为含Ni、Co、Mn 等重金属的废水，负极设备清洗废水主要污染物为pH、COD、SS、NH3-N等。磷酸铁锂动力锂离子电池生产过程设备清洗废水不含重金属。研究表明，常见废水处理技术有物理法、化学法、物理化学法、生物法等。相关企业在生产中，需根据废水特性，当地环保要求等选择适当处理技术，使废水处理达到 《电池工业污染物排放标准》（GB30484-2013）相关标准限值后达标排放。若正极采用NMP 清洗，则产生含NMP 的有机清洗废水，可作为危险废物按照 《危险废物贮存污染控制标准》（GB18597-2001）及其修改单的有关规定收集、贮存后，委托有相应处理资质的单位拉运处理。

3.3 噪声污染防治措施分析

生产设备如搅拌机、涂布机、辊压机及公辅设备如冷却塔、水泵、风机等运行会产生噪声，噪声超标排放可能会影响周围声环境质量，危害人体健康。

企业生产车间宜合理布局，静闹分开，高噪声设备远离办公生活区、敏感目标而布设。高噪声设备如水泵、备用柴油发电机等尽量安装专用隔声房内，并安装减振垫、消声器等。冷却塔脚座与地面之间安装减振器，受水盘水面铺设多孔泡沫塑料垫等。

3.4 固体废物污染防治措施分析

固体废物污染防治需要严格落实《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》（2020 年9 月1 日起施行）的各项要求。需设置符合要求的一般固体废物暂存间，经分类收集暂存后，外售有资质的资源利用单位回收利用。企业应制定危险废物管理计划，建立危险废物管理台账，如实记录有关信息，并通过国家危险废物信息管理系统向所在地生态环境主管部门申报危险废物的种类、产生量、流向、贮存、处置等资料。同时配套建设符合《危险废物贮存污染控制标准》（GB18597-2001）及“2013 年6 月修订单”相关要求的危险废物暂存间，危险废物分类收集并暂存后，委托有危险废物处理资质的单位拉运处理，并按照有关规定填写、运行危险废物电子或者纸质转移联单。

4 环境管理及监管要求

企业应建立、健全环境管理制度，履行各项环保手续，采用先进适用的污染防治技术，使锂离子电池制造过程中的各类环境影响得到有效控制。

环境管理人员可核查企业各项环境管理制度的落实情况，环境管理机构、人员、应急物资的配置情况；是否进行了环境影响评价；是否建设了对应的污染防治措施且进行了竣工环境保护验收；是否制定了突发环境事件应急预案并演练；是否取得排污许可证并定期提交排污许可执行报告；是否按照要求进行了自行监测，污染物排放是否超标、超总量；对于企业主要废气和废水排放口，可安装在线监测装置并与主管部门联网。必要时可进行监督性检测，对周围敏感目标进行民意调查，以便监督和督促企业有效落实各项污染防治措施，进一步降低锂离子电池制造过程中的环境影响。

结语

在锂离子电池制造过程中，使用电极材料、电解液与溶剂NMP 等，可能会给锂离子电池制造企业周边的大气环境和水环境等造成镍、钴、锰重金属污染、氟污染，加重大气环境的挥发性有机物污染，同时还会产生噪声及少量固体废物，若不能得到有效处理，将损害人类赖以生存的生态环境，最终危害人体健康。但相较于传统镍氢、镍镉电池以及铅酸电池，其生产过程中不需添加镉、铅等物质，锂离子电池相对更加环保。为实现“碳中和”宏大目标，发展和推广锂离子电池在新能源汽车中的应用是不可或缺的版块，因此，须采取有效的污染防治技术控制、减轻锂离子电池制造过程中的各类环境影响，促使锂电池产业与生态环境协调发展。