中國儲能網(wǎng)訊：對廢舊鋰離子電池中金屬材料進行回收，既保護環(huán)境又具有良好的經(jīng)濟前景。綜述了當(dāng)前鋰離子電池中金屬材料回收的技術(shù)流程，包括電池預(yù)處理、電池材料分選、金屬富集及金屬分離提純4個步驟，每一步驟都包含多種處理方法。分析了每種方法的發(fā)展情況、優(yōu)缺點及應(yīng)用范圍，在實際操作中需將多種方法結(jié)合起來以獲得更好的處理效果。鋰離子電池中金屬回收技術(shù)發(fā)展較成熟，在4種常見鋰離子電池（鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池、鎳鈷錳酸鋰電池及磷酸鐵鋰電池）回收方面有大量應(yīng)用。對廢舊鋰離子電池中金屬回收經(jīng)濟性進行分析，結(jié)果表明，鈷酸鋰和三元系電池具有較高的回收效益，而錳酸鋰和磷酸鐵鋰電池的回收效益較差。需加強對鋰離子電池回收技術(shù)的研究，降低成本，提高資源利用率，形成綠色環(huán)保、經(jīng)濟效益好的鋰離子電池“生產(chǎn)-銷售-回收-再生產(chǎn)”的循環(huán)利用體系。
近年來，在能源和環(huán)境危機的推動下，伴隨著新能源汽車的飛速發(fā)展和推廣，帶來了規(guī)模龐大的鋰離子電池需求。據(jù)統(tǒng)計，全球鋰離子電池消費量從2000年的5億只迅速上升到2015年的70億只[1-2]。由于鋰離子電池使用壽命一般在3～5年，所以廢舊鋰離子電池數(shù)量也在逐年急劇增加，預(yù)測到2020年，僅我國廢舊鋰離子電池數(shù)量將會達到250億只，總重50萬噸[3]。這些廢舊電池若被隨意丟棄，不僅會給環(huán)境帶來嚴(yán)重污染，而且還造成大量的資源浪費。因此，對廢舊鋰離子電池進行無害化處理并對其中的資源進行回收再利用具有十分重要的意義，引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。其中，對廢舊鋰離子電池中金屬材料的回收更是被格外重視，已成為研究的熱點。
重點內(nèi)容導(dǎo)讀
1 鋰離子電池中金屬材料回收的意義
1.1 環(huán)境保護方面的意義
鋰離子電池由于不含鉛、鎘、汞等重金屬而被認(rèn)為是綠色電池，但廢舊鋰離子電池材料對環(huán)境和人體健康仍有嚴(yán)重的不利影響。表1列出了鋰離子電池主要成分的化學(xué)特性和潛在的危害性。
表1 廢舊鋰離子電池中常用組成材料的主要化學(xué)特性和潛在環(huán)境污染
1.2 經(jīng)濟效益方面的意義
廢舊鋰離子電池被稱為“廢棄的資源庫”，表2列出了幾種常見鋰離子電池中主要金屬的含量。
表2 各類鋰離子電池中主要金屬所占比重
我國從2008年起大力推廣新能源汽車，到2014年市場規(guī)模急劇擴張，如圖1所示。
數(shù)據(jù)來源：中國汽車工業(yè)協(xié)會
圖1 2008—2017年5月我國新能源汽車
產(chǎn)銷量
2 廢舊鋰離子電池中金屬材料回收技術(shù)
鋰離子電池由外殼和內(nèi)部電芯組成，其中，電芯由正極、負(fù)極、隔膜、集流體和電解液構(gòu)成，具體成份如表3所示。
表3 鋰離子電池主要結(jié)構(gòu)及組成
圖2列出了廢舊鋰離子電池中金屬材料回收的技術(shù)工藝流程
圖2 廢舊鋰離子電池中金屬材料回收示意圖
2.1 電池預(yù)處理技術(shù)
廢舊鋰離子電池中通常含有部分殘留電量，如果拆解不當(dāng)，極易引發(fā)火災(zāi)、爆炸等事故。因此，在金屬材料回收過程中，首先需對廢舊電池進行放電或失活等預(yù)處理操作，為下一步的處理提供安全條件，主要方法有NaCl溶液浸泡法和低溫冷凍法。
2.1.1 NaCl溶液浸泡法
2.1.2 低溫冷凍法
2.2 金屬材料分選技術(shù)
將放電后的電池進行拆解破碎及篩選分離，初步分選出含有金屬的材料，此過程中采用的方法包括機械分離法、熱處理法、溶劑溶解法、堿液溶解法及手工拆解法。
2.2.1 機械分離法
2.2.2 熱處理方法
2.2.3 溶劑溶解法
2.2.4 堿液溶解法
2.2.5 手工拆解法
2.3 金屬材料富集技術(shù)
為了更好地分離回收金屬，還需要對電極材料進行選擇性提取富集，主要采用酸浸出和生物浸出等方法。
2.3.1 酸浸出
2.3.2 生物浸出
2.3.3 其它富集方法
2.4 金屬材料分離技術(shù)
經(jīng)過前面的處理過程，金屬外殼及大部分的銅、鋁已被分離，重點回收的鈷、鋰、鎳、錳等金屬均以離子形式存在于浸出液中，需通過進一步的深度處理，進行徹底的分離、提純并回收，一般采取溶劑萃取法、化學(xué)沉淀法、電化學(xué)沉積法等。
2.4.1 溶劑萃取法
圖3顯示了不同萃取劑分步分離銅、鋁、鋰和鈷的工藝。
2.4.2 化學(xué)沉淀法
2.4.3 電化學(xué)沉積法及其它方法
3 幾種常見廢舊鋰離子電池中金屬材料的回收
3.1 鈷酸鋰電池
3.2 鎳鈷錳酸鋰三元電池
3.3 錳酸鋰電池
3.4 磷酸鐵鋰電池
4 鋰離子電池中金屬材料回收的經(jīng)濟性分析
鋰離子電池中金屬材料回收的經(jīng)濟性可通過下列公式體現(xiàn)：利潤＝回收收入－生產(chǎn)成本－其它成本－稅費。其中，廢舊電池回收及再資源化過程中的生產(chǎn)成本由以下幾個部分組成。分析并計算廢舊三元電池中金屬回收的成本，結(jié)果見表4。
表4 廢舊鎳鈷錳三元電池（LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2）中
金屬材料回收成本
結(jié)論
廢舊鋰離子電池中鈷、鋰、鎳等稀有金屬的含量較高，具有很好的回收價值。對廢舊鋰離子電池中金屬回收技術(shù)的研究成為熱點，完整的回收過程包括4個步驟，每一步驟均包含多種處理方法，各有優(yōu)缺點，綜合利用各種方法對金屬材料進行回收，金屬的回收率和純度基本均可達90%以上。目前已形成較為完善的廢舊鋰離子電池金屬材料回收技術(shù)體系，并在實際生產(chǎn)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如邦普循環(huán)科技有限公司、格林美股份有限公司等典型回收企業(yè)都構(gòu)建了完整的廢舊三元系電池和鈷酸鋰電池中金屬材料回收與再生業(yè)務(wù)，并呈繼續(xù)擴張趨勢。鋰離子電池技術(shù)的發(fā)展和回收市場的迅速變化對廢舊電池的回收提出了新的挑戰(zhàn)和要求，今后回收技術(shù)需關(guān)注以下幾個方面。
引用本文
衛(wèi)壽平，孫 杰，周 添，李吉剛，曹煥露. 廢舊鋰離子電池中金屬材料回收技術(shù)研究進展[J]. 儲能科學(xué)與技術(shù), 2017, 6(6): 1196-1207.
WEI Shouping, SUN Jie, ZHOU Tian, LI Jigang, CAO Huanlu. Research development of metals recovery from spent lithium-ion batteries[J]. Energy Storage Science and Technology, 2017, 6(6): 1196-1207.
責(zé)編：杉杉
