新能源汽车废旧锂电池回收处理过程中污染控制技术研究

关键词：新能源汽车；废旧锂电池；特性分析；回收处理技术

中图分类号：TM912.9 文献标识码：A

0引言

新能源汽车的兴起，推动了锂电池技术的飞速发展，而随着电动汽车的普及，废旧锂电池的处理问题日益凸显。锂电池作为新能源汽车的核心能源存储单元，其组成与结构决定了其性能与寿命，同时也影响着废旧电池的处理方式和效率。对废弃锂电池进行不恰当的处理不仅导致资源的不必要浪费，还可能带来环境的巨大污染。对废弃的锂电池特性进行详尽的分析研究，构成了寻找高效率和环境友好回收技术的基础先决条件[1]。

1废旧锂电池的特性分析

锂电池主要由正极、负极、电解质和隔膜四部分组成。正极材料通常是含有锂元素的金属氧化物，如钴酸锂、锰酸锂等，它们能够提供锂离子，是电池释放能量的关键。负极则主要由石墨等碳材料构成，负责接收和储存锂离子。电解质则是锂离子传输的介质，通常是有机溶剂和锂盐的混合物。隔膜则用于隔离正负极，防止短路，同时允许锂离子的通过。

1.2废旧锂电池的失效机制

废弃锂电池失效的机制涉及电池性能逐渐降低到无法达到其预定使用标准的阶段，此过程会受到各种因素的干扰，如各种化学作用、物理损害、热效应及外部环境状况等。从化学反应的角度来看，锂电池在充电和放电的阶段，正负极材料与电解解间会产生错综复杂的电化学反应。随着循环过程的增加，这些材料的结构完整性会逐步下降，这可能会导致活性物质的流失、电极的变形和锂离子的传输阻抗上升，从而可能进一步导致电池容积的下降和内部电阻的增多。

物理伤害也被视为引发锂电池故障的关键原因。电池在生产和使用的各个阶段，由于机械摆动和温度波动等原因，可能会引发电极材质微观形态的各种变化，比如产生裂痕和它们的扩张。这些物理伤害可能进一步促使电池容量减少并增加内部阻抗。

电池在其充放电过程中会产生大量热能，这些热量如果没有被充分释放，就可能导致电池内的温度上升，并进一步触发一系列不良反应，例如电解物的分解和电极材料的腐蚀。这些反应不仅消耗了电池内的活性成分，而且可能导致气体的生成，进而引发电池体积扩张乃至爆炸。如果电池管理系统（BMS）设计不当，或出现故障，它有可能在诸如过充放、过热等极端情况下继续工作，进而减少电池的使用期限[2]。

1.3锂电池中有害物质的识别与评估

在锂电池的组成中，除了含有价值的金属元素如锂、钴、镍、锰等，还存在着一系列有害物质，这些物质若未经妥善处理，将对环境和人类健康构成严重威胁。因此，对锂电池中的有害物质进行准确的识别与评估，是确保废旧锂电池回收处理过程环境友好的重要环节。

对锂电池中有害物质的识别与评估需要借助一系列先进的分析技术。例如，采用X射线荧光光谱（XRF）可以快速、无损地检测电池中的重金属含量；气相色谱-质谱联用（GC-MS）技术则能准确分析电池中的有机溶剂和电解质残留物。此外，电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）等技术也被广泛应用于锂电池中有害物质的定量分析。有害物质的识别与评估并非易事，锂电池中的物质组成复杂，有害物质往往以微量的形式存在，且在电池的不同生命周期阶段其含量和形态可能发生变化[3]。

2废旧锂电池回收处理技术综述

2.1物理回收技术

废弃锂电池的回收技术属于一个跨学科和技术高度综合的领域，物理回收技术因其操作简洁和高回收效率等优点，在实际应用场景中获得了一定的重视。物理回收方法主要利用机械手段，如破碎、筛选和分离，将废弃的锂电池中的有价金属和其他可用资源进行有效分离，达到对资源的重新利用（图1）。废锂电池预处理作为物理回收技术的初始环节，通常涵盖电池的放电活动、拆卸以及外壳去除等多个环节。这一措施旨在将电池组件从电池内分离，从而为将来进行机械加工打下坚实基础。

在这个流程当中，使用自动化设备能够显著提升运算效能与安全保障。机械碎裂被认为是物理回收技术的关键步骤，它通过专门的碎裂设备把电池单元内的电极物料、隔膜和电解质等各种成分粉碎成微小颗粒。这些微小的颗粒接着会经过气流筛选或震动筛选技术，按照其粒度的大小进行分离工作，从而完成有价值金属的初步富集过程。

物理回收技术也涵盖了一系列的成分分离与精炼过程。比如，利用磁性分离方法可以消除电池里的铁磁元素；采用浮选法能够分离出有机成分和其他的轻质物料；进一步的化学或物理吸附处理能够净化贵重金属。这些不同的技术组合运用，有助于显著提升回收流程的效率与洁净度[4]。

2.2化学回收技术

化学回收技术作为废旧锂电池回收处理领域中的另一种关键技术，主要通过化学反应将电池中的有价金属和其他有价值物质提取出来（图2）。相较于物理回收技术，化学回收技术在回收率和纯度方面具有明显优势，但同时也伴随着化学反应带来的环境风险和操作复杂性。化学回收技术主要包括湿法冶金、火法冶金和生物冶金等方法。

湿法冶金是应用最为广泛的一种化学回收技术，它通过溶液中的化学反应，将电池中的有价金属转化为可溶解的化合物，然后通过萃取、电积等步骤进行分离和提纯。这种方法可以有效回收锂电池中的锂、钴、镍和锰等有价金属，回收率高，且对环境影响相对较小。

火法冶金则是一种高温处理方法，它通过高温熔炼和精炼，将电池中的有价金属转化为金属熔融物，然后通过冷却和分离，得到纯净的金属。这种方法适用于处理含有多种有价金属的废旧锂电池，但其能耗较高，且会产生大量的废气和固体废物，对环境造成较大压力。

生物冶金则是一种新兴的回收技术，它利用微生物或酶的催化作用，将电池中的有价金属转化为可溶解的形式，然后通过萃取和电积进行回收。这种方法具有操作简便、成本低廉、环境友好等优点，但目前仍处于实验室研究阶段，尚未实现工业化应用。

化学回收技术在废旧锂电池回收处理领域具有巨大潜力，但同时也面临着一些挑战。例如，化学反应过程中可能产生有害气体和废液，对环境和人体健康造成威胁[5]。

2.3生物回收技术

生物回收技术，因其环保、简单和低成本的特点，已经吸引了众多的关注和研究。这技术是通过微生物和酶的催化能力，把电池内部的高价值金属转变成溶解的状态，并采用萃取技术与电积方法来实现回收。与传统的化学和物理回收法相比，生物回收方法在降低环境污染及提升材料回收效益方面显示出了其突出的优势。主流的技术手段涵盖了生物浸出、生物吸附技术和生物积累过程。

生物浸取出是通过利用微生物或它们的代谢产物来溶解废锂电池内的有价值金属，进而实现从固态到流态的金属转换。

生物学吸附技术是通过微生物或其衍生物来吸收金属离子，进一步从溶液中富集和分离这些金属。通过微生物的累积，能够收集到金属离子，然后利用微生物技术进行金属的回收过程。上述方法不仅操作简洁、环境友好并且条件适中，而且它们对生态环境十分友好，不会释放出有害的废弃物。

尽管生物回收技术在现实场景中已有广泛应用，但它仍然存在一些技术难题，包括微生物的筛选和培养过程异常苛刻，数据处理时间漫长，以及在大规模工业化场景中所需面对的技术挑战[6]。

3污染控制技术在废旧锂电池回收处理中的应用

3.1污染预防措施

污染预防措施的实施可以在源头上减少污染物的产生和排放，降低对环境和人体健康的影响。这些措施主要包括以下几个方面。

（1）优化电池设计和制造工艺，采用更环保、可持续的材料，减少有害物质的使用。例如，在正极材料中选择无钴或低钴材料，以减少对环境的污染。同时，通过改进电池的封装和结构设计，提高电池的安全性和稳定性，减少电池在运输、存储和使用过程中的环境风险。

（2）加强电池的使用和维护管理，通过智能电池管理系统（BMS）实时监测电池的状态，避免过充、过放等不当使用方式，延长电池使用寿命，减少废旧电池的产生。

（3）通过电池的梯次利用和再生利用，将废旧电池应用于储能、备用电源等领域，实现电池的最大化利用。

（4）加强废旧锂电池的收集和运输管理，建立完善的回收体系，确保废旧电池能够及时、安全地送至回收处理企业。

3.2污染治理技术

在废旧锂电池的回收处理环节中，处理污染的技术起到了至关重要的作用，主要目的是管理和净化那些已经产生的污染物质，以降低它们对环境及人类健康的隐患。

气体污染治理技术应该有效地处理废旧锂电池在回收过程中释放出的有害气体，比如SO2和NOx。为了降低这些气体释放，可以选择如活性炭吸附、氧化还原法以及吸收法等的多种技术。

废水处理的技术手段是针对含有有毒金属离子与有机化学成分的污水进行的处理。处理方案主要涵盖膜分离工艺、离子交换方法以及高级氧化工艺等多种技术，目的在于清除废水里存在的有害物质，并以确保废水满足排放准则。

固体废物处理技术应当处理在回收过程中生成的固体副产品，比如废渣和废弃电极材料。为了降低废物的产生并减少其潜在风险，这类废物可以采用如固化或稳定化、热处理以及资源回收利用等方法处理。

生物处理技术与电化学治理等多种污染处理手段也被应用在回收废旧锂电池的流程中，这有助于增强整体的污染控制效果。

3.3污染监测与评估

在废旧锂电池的回收与处理流程中，污染监测与评价具有至关重要的作用。这种监测手段在迅速识别并处置污染事件中极为关键，有助于预防污染物给环境和人类健康带来的伤害，还对废弃的锂电池回收生产厂附近的空气、水以及土壤的品质进行了定期的观测。健康风险评价也是环境监测和评估中的关键环节，此评价方法是基于评估废弃锂电池回收时的污染物，目的是探究这些污染物对人体健康可能产生的危害。。

4结束语

本文通过对新能源汽车废旧锂电池的特性分析、回收处理技术以及污染控制技术的综述，强调了电池的组成与结构、失效机制和有害物质识别与评估的重要性。同时，介绍了物理、化学和生物回收技术，以及污染预防措施、污染治理技术和污染监测与评估在废旧锂电池回收处理中的应用。研究结果表明，废旧锂电池回收处理技术的发展对于实现资源的高效利用和环境保护具有重要意义。未来的研究应继续探索更高效、环保的回收处理技术，以及加强污染监测与评估，以推动废旧锂电池回收处理行业的可持续发展。

作者简介：

岳东，硕士，工程师，主要研究方向为生态学。

庄亚芹，硕士，工程师，主要研究方向为水文地质。

曲晓文，本科，工程师，主要研究方向为环境科学、环境工程。

马晓龙，硕士，工程师，主要研究方向为环境工程。