新能源汽车废弃锂电池环境危害及处理方法

佟　玲

（联合赤道环境评价有限公司天津300042）

新能源汽车废弃锂电池环境危害及处理方法

佟玲

（联合赤道环境评价有限公司天津300042）

我国新能源汽车产业的迅速崛起，废旧锂电池的回收处理问题也随之而来。如处理不当，对环境及人体健康危害巨大。分析了我国新能源汽车废锂电池的现状，并介绍了溶解分离回收技术和梯度利用两种废旧锂电池的处理方法。

新能源汽车；废锂电池；梯度利用

1　废旧锂离子电池使用现状

锂离子电池具有工作电压高、比能量大、体积小、质量轻、循环寿命长、无记忆效应等优点，是当前新能源汽车动力主要来源[1]。随着我国新能源汽车产业快速发展，随之而来的动力电池回收再利用问题将越来越突出。一般来说，动力电池的容量低于初始容量的80%就认为动力电池不再具备服务功能，动力电池的循环寿命为1000～1500次左右，折合使用寿命为5年左右。随着电动汽车大范围推广，动力电池的报废数量也将越来越多，到2020年，我国电动汽车动力电池累计报废量将达到12×104t～17×104t的规模，如果回收处理不当，所造成的环境危害，恐怕是数倍于干电池和铅酸电池。

2　锂电池的特点

锂是最轻的金属元素，锂的电负性是所有金属中最负的，锂原子的还原电位高达-3V。根据计算，1g锂转化为锂离子时所能得到的电荷数为3860mAh。锂离子电池的单体电压为镍氢电池的3倍，并且具有比能量密度相对较大、无记忆效应、充放电效率高、自放电率低、循环寿命长和无污染性等优点，因此，锂离子电池成为了目前在纯电动汽车上应用最广泛的动力电池。

电动汽车动力系统所采用的锂离子电池，其动力电池类型主要有磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂、镍钴锰三元等，这些电池在退役后，对环境造成潜在的污染源。锂离子电池中不含汞、镉、铅等毒害大的重金属元素，但锂离子电池的正负极材料、电解质溶液等物质对环境和人体健康还是有很大影响。因此，如将废旧锂离子电池采取普通的垃圾处理方法(包括填埋、焚烧、堆肥等)，其中的钴、镍、锂、锰等金属以及无机、有机化合物必将对大气、水、土壤造成严重的污染，具有极大的危害性。废旧锂离子电池中的物质如果进入环境中可造成重金属镍、钴污染(包括砷)，氟污染，有机物污染，粉尘和酸碱污染。废旧锂离子电池的电解质及其转化产物，如LiPF6、LiAsF6、LiCF3SO3、HF、P2O5等，溶剂及其分解和水解产物，如DME、甲醇、甲酸等，都是有毒有害物质，可造成人身伤害，甚至死亡[2]。

以我国电动汽车的发展速度，如果到2020年时，电动车市场存量超过500万辆，以一辆车平均配备20kW·h的电池来估算，约有1×108kW·h(1000 GW·h)的锂离子电池进入汽车市场。如果回收处理不当，所造成的环境危害，恐怕是数倍于干电池和铅酸电池。

3　控制方法

3.1溶解分离回收技术

废旧锂离子电池溶解分离工艺要经历3个步骤[3]：(1)将废旧电池放电、剥离外壳、简单破碎、筛选后得到电极材料。（2）将第一步获得的材料进行溶解浸出使电极中的各种金属进入溶液中。其中钴和镍分别以Co2+、Ni2+形式存在，将所有金属溶于酸中，然后进行分离净化回收；或者用碱浸出铝并回收，然后用酸浸出剩余金属氧化物。（3）对溶解后溶液（浸出液）中金属元素进行分离回收或将该溶液直接合成正极材料、离子交换法、萃取法、电化学法分别得到含钴或锂的化合物。

整个分离回收技术的关键是获得电极材料的酸溶解物。电极材料中的锂、钴、镍金属化合物溶于还原性酸HNO3[4]、HCl[5]，但随着Cl2的产生可能会使工作条件恶化。为此普遍采用H2SO4溶液中加入还原剂H2O2[6]或Na2S2O3[7]作为浸出溶液，以避免有毒有害物质生成。

该方法回收率高，方法工艺简单，但耗能高，二次污染严重，后续分离金属元素工艺复杂[8]。

3.2梯度利用

梯度利用，与“梯度利用、阶梯利用、降级使用”在概念上是基本一致的，但不能视为翻新使用。首先，由于多个电池串联成电池组，难以做到完全均一充放电，因此导致串联的多个电池组内的单个电池会出现充放电不平衡的状况，电池会出现充电不足和过放电现象，而这种状况会最终导致整组电池无法正常工作。这就意味着，这个电池组中，仍有一些电芯的性能是正常的。虽然已经不满足汽车的使用条件，但仍然拥有一定的余能，其寿命并未完全终止，可以用在其他领域作为电能的载体使用，从而充分发挥其剩余价值。

其次，很多机构对回收的电池，做了大量的数据测试发现，很多退役动力电池，不论从容量、性能和循环寿命上看，仍有着尚可的表现。通过梯度利用，不仅可以让动力蓄电池性能得到充分发挥，有利于节能减排，还可以缓解大量动力蓄电池进入回收阶段给回收工作带来的压力[9]。

所以相对而言，梯次利用更能够发挥产品的最大价值，实现循环经济的利益最大化，是更为绿色和环保的做法。但梯次利用所面临的难题和挑战也非常的多，如果不能有效解决，就不能实现真正的产业化。

对于电动汽车动力电池的梯次利用，国外走的相对快一些，美国、德国和日本已经有不少示范应用的项目，他们在积极探索技术、成本、商业模式等方面的问题和难点，为后续大规模的产业化做储备。我国鲜有企业在这方面投入资源进行产业化的探索和积累，还更多的停留在“研究”阶段。

4　结语

短期来看，梯次利用的电池，在家庭储能、分布式发电、微网、移动电源、后备电源、应急电源等中小型的储能设备应用领域，会有良好的发展潜力。长期来看，如果一些技术难点得以解决，在大型和超大型的商业储能和电网级储能市场，梯次利用也会有广阔的前景。实际上，储能产品的经济效益测试和商业模式探索，是非常复杂的事情，并不是通过以上简单的分析就能搞清楚的。但有一点比较明确，采用梯次利用的动力电池，其成本远低于新的锂电池组，可以大大降低储能系统的成本，消除储能产品大规模应用的最大障碍，带来更为明显的经济效益和社会效益。

在电动汽车作为新型产业领域，我们必须改变过去粗放式的发展模式，不能单纯的追求规模化效益，而是应该建立一个更加高效、更加精细的经济模型，将废旧锂离子电池回收资源化纳入到产业链中，朝着有效降低成本、减少二次污染和提高回收率方向发展，真正实现可持续发展的目标。因此，如何应对电动汽车后市场，合理的回收和利用汽车退役下来的动力电池，不是等电动汽车市场发展起来之后才去考虑和规划的，而是应该在当前，进行技术、市场、产业、政策、环保等各方面的研究和实践，完善电动汽车市场的相关配套措施。

[1]李洪枚,姜亢.废旧锂离子电池对环境污染分析与对策[J].上海环境科学23(5)：201-203.

[2]谢光炎,凌云,钟胜.废旧锂离子电池回收处理技术研究进展[J].环境科学与技术,32（4）:97-101.

[3]王建伟,李慧敏.新能源汽车电池应用状况分析[J].研究与开发,68-71.

[4]CastilloS,Ansart F,Laberty-Robert C,et al.Advances in the recovering of spent lithium battery compounds[J].J Power Source,2002,112(1): 247-254.

[5]Pingwei Z,Toshiro Y,Osamu I,et al.Hydrometallurgical process for recovery of metal values from spent lithium-ion secondary batteries[J]. Hydrometallurgy,1998,47(2-3):259-271.

[6]郭丽萍,黄志良,方伟等.化学沉淀法回收LiCoO2中的Co和Li [J].电池,2005,35(4):266-267.

[7]郭丽萍,杜小弟，方伟等.Na2S2O3还原溶解LiCO3及钴、锂分离回收[J].应用化学，2006,23(10):1182-1184.

[8]韩业斌，曾庆禄.废旧锂电池回收处理研究[J].中国资源综合利用31（7）:31-33.

[9]李香龙,陈强,关宇,王玉坤,刘秋降梯次利用锂离子动力电池试验特性分析[J].电源技术研究与设计.37（11）：1940-1942.

佟玲（1985—），女，天津，硕士，中级工程师，主要研究方向环境影响评价。