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锂离子电池回收的问题以及如何解决

作者:中国储能网新闻中心 来源:UPS应用 发布时间:2020-11-24 浏览:
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蓄电池回收

对于电池制造商来说,电池回收利用并不是其业务优先考虑的重点,但是确实有一些回收解决方案。锂离子电池的回收在技术上是可行的,但需要对其方法和措施进行改进。

电池结构的多样性导致大多数电池回收厂商只能使用火法冶金的方法提取钴,并使其他电池材料的回收过程变得复杂。  

锂离子电池回收面临的挑战应该在其设计阶段解决。不过到目前为止,电池生产厂商更加注重的是电池的安全性、功率密度、可循环性。  

来自莱斯特大学、纽卡斯尔大学和伯明翰大学、法拉第研究所、ReCell中心以及美国阿贡国家实验室的研究人员对锂离子电池的回收设计进行了研究,并将他们的研究结果发表在《绿色化学》杂志上,其报告名称为《锂离子电池回收设计的重要性关键评论》。  

研究人员在论文中指出,“要使电池具有循环经济性,重要的是要减少电池组件数量,二次加工(回收)的成本通常比一次加工(原料提取)要低,其纯化流程以及收集和回收隔离机制更加简单,如果电池材料没有进行更好地回收利用,将会对环境产生重大影响,因此通常强制要求电池厂商进行回收利用。”

铅酸电池的回收

铅酸电池可以满足这样的回收要求,这就是日本、美国和欧洲大部分国家的铅酸电池回收率接近100%的主要原因。铅酸电池设计简单,其主要材料是聚丙烯外壳、电解液以及由铅制成的电极。考虑到铅和聚丙烯的密度值分别为11.3克/立方厘米和0.9克/立方厘米,采用密度分离组分的方法相对简单。  

锂离子电池中阴极和集流体的相似密度值使类似方法无法实现。因此,锂离子电池需要诸如氧化还原反应、溶解性或利用静电和磁性方法分离电池材料等方法。  

缺乏化学成分的标签是难以有效制定回收电池制度的另一个重大障碍。与铅酸电池不同,锂离子电池具有多种化学和结构,例如NCA、NMC、LMO、LCO和LFP电池,所有这些都可以结合到不同的化学成份中。

回收的成本

研究小组表示,电池的标签并没有全球标准,但需要向电池回收商标明电池的成分。因此,湿法冶金(包括粉碎和酸处理)和火法冶金(在进行酸处理之前进行高能耗的熔炼)在锂离子电池回收中已变得司空见惯。湿法冶金需要预处理、排放和正确的拆解,而不是进行更简单的粉碎方法。  

该研究报告的作者指出,电池的预处理可以由机器进行,但其前提是必须明确标明电池类型和架构。全球汽车工程师行业机构SAE International公司最近推荐了一种标签方案。而调查表明,电池主要生产国正在考虑锂离子电池采用的标签标准。

电池组中电池模块排列方式的变化给电池回收商带来了另一个障碍。一些锂离子电池生产商为了最大限度地提高安全性和电池寿命,通常牺牲了可回收性。  

电池单体越多,电解质材料在电池重量中所占的比例就越低。增加电池单体数量也使其分离步骤复杂化,从而增加了回收成本。例如,特斯拉S型85kWh电动车电池包含16个电池模块,每个电池模块包含444个电池单体,而每辆电动汽车内拥有7104个圆柱形电池。宝马i3电动汽车配备96个棱柱形电池,日产聆风电动汽车则配备了192个袋式电池。  

作者在这篇论文指出:“当电池的拆解并且成本高昂时,唯一的回收方法便是火法冶金,但这种方法成本既高昂又效率低下。因此电池回收处于两难的困境,而电池的设计将会影响电池回收策略。”  

人工拆解电池组件和模块是提取电池材料的首选方法,但比粉碎方法花费更长的时间。电池设计的无数组合使得自动化拆解几乎无法实现,从而显著提高了回收成本。  

该论文建议,采用最外层固定装置以及电池模块和单元的标准化措施来解决该问题,届时可以相对容易地进行拆解。

采用母线连接

研究报告指出,电池之间可以采用实心母线连接,而不是目前采用较软的电缆。这样,自动化设备可以更容易地将电池从母线分离。  

研究人员还建议不要采用不可逆的粘合剂,这样的粘合剂将活性材料附着到锂离子电池聚丙烯外壳上。而采用传统的粘合剂提高了从电池分离阴极和阳极材料的成本。  

电池采用循环设计方法通常涉及到对产品结构的细微变化,但如果将回收的电池原材料返回到电池生产过程中,与主要来源相比,其成本显著降低,则有助于建立循环经济。

解决方案

研究人员说,在不粉碎废旧电池的情况下分离电极材料可以将回收的成本降低70%,比新购原材料的成本还要低。采用全面详细的标签、简化的电池结构、易于分离的设计,以及采用可逆的粘合剂将解决锂离子电池回收面临的大部分问题。  

研究人员还提出了如何制定此类法规的建议,建议扩大电池生产厂商的责任范围以及回收报废电池产品的义务,并将促使其采用有效回收的方法。  

关键字:电池回收

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