废旧动力锂电池自动拆解试验研究

吴文峰+沙亚红+黄敦新+周水根+赵勇礼

摘 要：随着新能源电动汽车市场的快速发展，未来动力锂电池报废量将大幅增加。基于废旧动力锂电池的环境危害性与经济价值性，需要研发环保、安全、可靠、高效的自动化拆解回收设备。本文结合动力电池拆解回收工艺流程，简化部分工序内容着重于自动化拆解工艺设计动力电池自动拆解试验设备，并完成了拆解试验。本文拆解试验结果表明，利用砂轮片切割动力电池具有可行性；切割工位是产生粉尘废气的主要工位，切割过程需重点防护粉尘废气泄露，并对粉尘废气进行环保处理；采用夹爪取芯方式对于鼓胀电池进行电芯外壳分离的可靠性不高。本文进行拆解试验对动力电池自动化拆解环保回收设备研发及工艺优化，具有重要的指导意义。

关键词：动力锂电池，自动拆解设备，工业化绿色回收，切割粉尘处理，废气处理

0 引言

基于节能、环保、能源安全战略优势，我国正在大力发展新能源汽车新兴产业。紧随新能源汽车整体走势，汽车动力电池出货量也呈现大幅增长趋势。动力电池出货量从2014年的3.7Gwh攀升至2015年的15.7Gwh。2016年上半年出货量继续保持强劲增势，1-6月动力电池出货量达6.67Gwh，与2015年上半年2.72Gwh相比，同比增幅达1.45倍。预计到2020年动力锂电池的需求量将达到125Gwh，报废量将达到32.2Gwh，约50万吨；到2023年，报废量将达到101Gwh，约116吨。因此，汽车动力电池全生命周期研究势在必行，从电池制造到报废处理以及材料循环利用出发，真正使得整个产业链实现绿色、环保、循环可持续发展。

对报废的车用动力锂电池进行回收十分必要和重要，必要在于其环境危害性，重要在于其经济价值性。动力锂电池所含成分比较复杂，电池中含有重金属元素（铜、钴、镍、锰等）、六氟磷酸锂（LiPF6）、有机碳酸酯、难降解有机溶剂及其分解和水解产物。LiPF6稳定性较差，易热分解、水解出产物PF5、HF等剧毒气体。钴、镍、铜等重金属在环境中具有累积效应，污染土壤和地下水源并通过生物链最终危害人类健康。同时，废旧电池中的塑料或金属外壳、电解液、电解质盐以及电极废料均具有回收价值。锂电池正极钴、锂材料资源稀少具有很高回收价值，正负极集流体铝箔、铜箔也具有回收价值。对于动力电池进行资源化回收，不但可以减少废旧电池对于环境的污染，带来显著环境效益，还能实现电池中资源组分的充分回收利用，产生巨大经济效益，同时积极响应国家发展循环经济、建设节约型社会的发展战略。

目前国内动力电池回收主要依靠人工进行拆解，自动化拆解程度很低，而动力电池拆解过程中产生的废气、废液、粉尘对环境、工人均具有严重的危害性，因此动力电池回收企业迫切需要自动化全封闭拆解设备，才能真正实现动力电池节能环保、安全可靠、高效率地拆解回收。本文针对国内传统报废电池拆解行业现状及存在的问题进行分析，以及企业的自动化拆解设备需求，进行废旧动力锂电池自动拆解试验研究，探索开发出动力锂电池自动拆解生产工业化设备，推动我国废旧动力电池循环利用行业发展。

1 动力电池回收流程

在电动汽车工况下，动力电池放电容量衰减到初始容量80%时即无法满足车用要求，必须更换新电池以维持电动汽车性能。实际上容量衰减至80%的动力电池仍然有较好的性能和较长的寿命，可以满足一些对性能要求不苛刻的领域，例如电网储能、削峰填谷、低速电动车、场地车等使用环境。为了充分利用动力电池资源，节约动力电池的使用成本，目前对废旧动力锂电池回收利用主要是先进行余能梯次利用，最终再进行彻底拆解回收利用。动力锂电池彻底拆解回收流程图如图1所示。

本文進行废旧动力锂电池自动拆解试验研究，主要针对动力电池彻底拆解回收流程中的电池单体拆解试验。目前大部分厂家生产的动力电池单体外壳主要为不锈钢、镀镍钢、铝壳等。据行业调研了解，国内目前还没有电池单体自动化拆解设备。

2 动力电池自动拆解试验

2.1 拆解设备及试验参数

本文进行废旧动力锂电池自动拆解试验研究，主要采用了自行研制的电池单体自动拆解试验设备，如图2所示。自动拆解试验设备主要完成电池电极头切割、电芯与外壳分离、材料分类收集等，包括切割工位、取芯工位、封闭外罩、粉尘废气抽取等机构装置。

在拆解过程中由人工进行上料，可以通过透明封闭外罩观察切割、取芯过程效果，自动拆解试验设备动作流程如图3所示。

在拆解试验中，动力电池输送平台、夹爪取芯机构的运动由伺服电机、减速机、滚珠丝杠驱动。拆解试验参数如表1所示。

2.2 拆解废气

动力锂电池单体自动拆解的粉尘、混合废气主要产生于电极头切割工序。切割粉尘沿砂轮切线方向飞出，主要通过防护罩连接工业吸尘器利用布袋过滤收集。经试验初步检测，动力电池拆解产生的废气主要成分有氟化物（HF、PF5）、挥发性有机物（VOCs）、非甲烷总烃等，如表2所示。切割废气浓度较低、成分复杂、呈刺激性恶臭味，严重影响工人身体健康及周边环境。

国家标准《环境空气质量标准（GB3095-2012）》中规定氟化物1小时平均浓度（通量）限值为20μg/m3。拆解试验中产生的废气成分氟化物浓度已超过国家标准，须采用有效净化工艺对拆解废气进行处理。试验中先过滤切割粉尘，抽取废气通入装有碱液（质量分数10%的NaOH溶液）的大桶中，对试验废气成分进行吸收再排放。

2.3 拆解结果分析

动力电池采用砂轮片切割方式，能够顺利完成切割，切割出来的电池头存在一些切割废料毛刺，切割完成后效果如图4所示。

动力电池拆解试验设计夹爪挤入电池内部，夹爪外侧斜面撑开电池外壳，夹爪内侧倒齿夹紧电芯材料后再拉出，从而分离电芯材料与外壳。取芯过程如图5所示。

对于没有鼓胀的废旧电池，夹爪挤入电池后撑开外壳，可以完成取芯。对于已经鼓胀的废旧电池，夹爪挤入电池撑开外壳，但无法取出电芯。动力电池取芯失败如图6所示。经试验分析发现，鼓胀电池内部没有间隙，电芯材料与外壳紧密贴合在一起，采用夹爪夹取电芯后拉出的过程中，电池内部存在空气负压力和摩擦力，并且夹爪夹紧力过大，拉出过程中电芯薄极片材料、隔膜容易被撕裂，从而导致取芯失败。废旧电池中已发生鼓胀的电池数量比较多，因此采用夹爪取芯方式对于动力电池自动化拆解批量生产存在比较大的风险。

2.4 改进试验

经分析试验中动力电池取芯失败的原因后，设计多道缝环切电池外壳的方式进行人工试验。试验发现，电池经外壳多道缝环切、电池头切割后，实现电芯材料与外壳顺利分离，如图7所示。

根据人工拆解试验结果，后续方案设计采用电池外壳多道缝环切方式进行切割，有利于电芯材料与外壳顺利分离，实现动力电池单体的自动化拆解。

3 小结与展望

本文进行了动力锂电池拆解试验研究，根据试验结果及分析有以下结论：（1）动力锂电池彻底拆解回收方式，必须利用全自动化拆解设备进行封闭拆解，不能采用人工拆解，避免对操作工人造成身体伤害。（2）可以采用砂轮片切割方式对动力电池切割，切割工位产生较多的粉尘并排放含氟废气，必需配备粉尘过滤设备、含氟废气处理设备对粉尘、废气进行净化，防止环境污染。（3）夹爪取芯方式对分离电芯可靠性不稳定，原因是电池使用过程中电芯材料与电解液相互作用膨胀涨紧电池外壳，夹取过程中空气负压以及粘附摩擦作用阻碍电芯分离，并且电芯材料铜箔铝箔薄极片、隔膜在夹取过程中易撕裂破碎，从而造成夹爪取芯无法完成。

本文拆解试验结果，对动力电池自动化拆解环保回收设备研发及工艺优化，具有重要的指导意义。综合试验结果，还需要对动力电池自动拆解设备进行二期设计优化，实现动力电池全自动拆解，满足电池回收行业、企业的生产需求，推动动力电池工业化回收技术水平的发展。

基金项目：广东省科技计划“动力锂电池绿色回收一体机关键技术研究”项目（2015B020215003）