一、廢鋰電池種類及組成
動力電池主要由4部分組成:正極、負極、電解液以及隔膜。一般動力電池按正極材料組成分類,主流的動力電池為磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池,兩者合計占比超過95%,另外還有少部分錳酸鋰電池和鈷酸鋰電池,占比只有5%左右。2各類動力電池中鋰、鈷等金屬含量下圖所示。
目前動力電池的回收主要為正極材料的回收,主要集中在鋰、鈷、鎳、錳等有價金屬的回收上。對于動力電池的其他部分,電解液可能是未來回收的一大重點,目前已經有回收高純度電解液的方法,就是使用超臨界CO2回收,采用這一方法的優勢在于產品純度較高,但是對回收企業技術要求較高,目前國內回收電解液的企業較少。隔膜屬于高分子材料,使用一段時間后會有老化的問題,壽命有期限,回收價值不大。負極的石墨會有鋰離子嵌入,改變了負極結構,回收后的負極不能直接利用,而且石墨價格并不高,回收的經濟價值不大。外殼部分的主要材料是鋁合金等金屬材料,在拆解或者破碎環節可以直接回收,而且回收純度高。
二、三元鋰電池回收技術
1、火法工藝
火法冶金是通過高溫烘燒將電極片中的碳和有機物燃燒掉,對剩余部分通過熱解、磁選等方法進行回收,最終篩選得到金屬有價材料。火法冶金工藝簡單,易于工業化,但仍存在電解液等有機物在高溫煅燒下會產生有害氣體,需要進行有害氣體處理等問題,具有能耗高、成本高的缺點。
2、濕法工藝
濕法冶金是通過選擇合適的酸性或堿性介質將廢舊電池正極材料中的金屬離子浸出,再通過沉淀、有機物萃取、分離、提純等方法,得到鋰、鈷、錳等有價金屬。
濕法冶金工藝是一種很成熟的工藝,我國大多數企業都在采用濕法工藝,該工藝既可以單獨使用也可與其他工藝聯合使用,具有低成本、設備要求不高等優勢。
三、磷酸鐵鋰電池回收技術
1、濕法回收技術
磷酸鐵鋰電池濕法處理工藝是利用酸液或堿液將正極材料溶解,然后從溶液中實現金屬的回收或前驅體物質的合成。
磷酸鐵鋰電池的濕法回收工藝流程圖如圖1所示
磷酸鐵鋰電池首先需進行放電、拆解、破碎、篩選等前處理,分離得到正極材料。接下來是回收過程中最重要的步驟:正極活性物質的浸出。浸出步驟使金屬以離子的形式進入溶液以便分離和提純。浸出過程多采用無機酸或有機酸浸出。
2、固相再生技術
固相法是將LiFePO4電池正極材料進行高溫煅燒,分析其元素含量,增加一定比例的碳源、鋰源,再次進行高溫煅燒,最終得到LiFePO4/C。固相法回收再生技術工藝流程相對簡單,低能耗、低成本,可用于工業化處理磷酸鐵鋰電池,但是固相法再生的LiFePO4性能較差。
總結
對于廢舊鋰離子電池的回收利用,大多采用上述幾種方法,還有許多改良方法只是實驗室方法,工業應用還需要時間來實現。
動力汽車符合發展趨勢,今后數量不斷增加,淘汰的廢舊鋰電池的數量和類型也會越來越多,現在單一的回收方法并不能高效、便捷地回收所有的資源,今后需要研究低成本回收技術,提高回收資源的純度,以更好地滿足工業應用。