退役动力电池中的铝材料回收技术

退役动力电池中的铝材料回收技术

张仲懿，黄欢

中汽研汽车检验中心（武汉）有限公司，武汉，430058

摘要：随着新能源汽车的普及，退役动力电池的数量也将迎来爆发式的增长。根据权威机构预测未来5年，每年动力电池的退役量将达到20万吨，到2025年累计退役量将超过92.6万吨。在退役动力电池中，铝是一种重要的材料，它广泛存在于集流体、电池包五金件及外壳、铝合金组件中，如何实现其有效回收利用，已经成为了一个亟待解决的难题。因此，对退役动力电池中铝材料的回收和再利用进行研究具有重要的意义，本文将重点介绍退役动力电池中铝材料的回收和再利用技术。

关键词：退役锂电池，回收，拆解，铝材料，再利用

0 引言

目前，对于电动汽车退役电池的处理方法主要有两种。一种是梯次利用，即将电池容量衰减到不再适用于电动汽车供能的程度，然后将其二次运用于储能等领域[1]。然而，随着时间的推移，梯次利用的动力电池最终仍然需要进行拆解回收，这是不可避免的。另一种是退役动力电池的拆解回收，通过物理、化学等手段，以回收其中的有价金属、石墨等重要资源，物理法主要是通过破碎、筛分、磁选等步骤将铝分离出来；化学法则是通过酸浸、氧化还原等反应将铝从其他金属中分离出来。本文对集流体、电池包五金件及外壳、新能源汽车铝合金组件当中铝材料的回收利用工艺进行综述，对相关技术与应用进行深入分析[2]。

1 退役电池的回收流程

退役电池的回收流程一般为三个过程：预处理、二次处理与深度处理，预处理主要进行深度放电、破碎、物理分选。二次处理是为了使正负极活性材料与集流体分离。常用的方法包括热处理法、有机溶剂溶解法和碱液溶解法等。深度处理包括浸出除杂与分离提纯，从而获得我们需要的金属材料，也是回收过程的关键步骤[3]。

2 铝集流体的回收

2.1 高温煅烧法

在锂电池中，正极活性材料通常与集流体铝箔通过黏结剂和导电剂粘结在一起，而热处理法的原理是利用黏结剂和导电剂的热解温度较低，将电池置于高温环境中，使粘结剂和导电剂发生热解，从而破坏它们的粘结力，而正极活性材料和铝箔的热解温度较高，从而实现正极活性材料与铝箔的分离[4]。一种可行的方法是采用马弗炉进行低温焙烧，最佳处理条件为：焙烧温度550℃、空气流量9L/min、保温时间2h，铜箔、铝箔与正极材料可以有效分离，铝箔的回收率可达到98.77%。另一种方法是采用回转窑进行低温焙烧，最佳处理条件为：焙烧温度450℃、保温时间0.5h、空气流量10L/min，铝箔的回收率可达到99.64%。相比于管式炉，回转窑更有利于焙烧过程中空气与电极材料的充分接触，从而使得黏结剂的氧化分解过程更加彻底，促进铝箔与正极材料的分离。不仅降低了能耗，还减少了后续浸出工序中铝杂质的含量[5]。

2.2 碱溶解法

将铝箔放入NaOH溶液中，铝与NaOH发生反应生成氢气和铝酸盐(Al(OH)-4离子。反应方程式为：

2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na[Al(OH)4] + 3H2↑

过滤分离出活性材料，加入碱来调节滤液的pH值。在碱性条件下，铝酸盐离子会转化为氢氧化铝沉淀[6]，离心洗涤干燥，得到纯净的铝氢氧化物Al(OH)3。

2.3 电解法

电解剥离法的主要步骤为，在H2SO4溶液中，阳极为铂，正极片作为阴极，进行电解，在浸出正极活性材料的同时，还能够有效保护铝箔不被溶解，从而实现对铝材料的完整回收。这种方法具有高效回收和保护铝箔的优势[7]。

2.4 NMP溶解法

将经过预处理的集流体置于有机溶剂NMP中进行溶解。经过一定时间的搅拌和加热后，黏结剂和导电剂会逐渐溶解在有机溶剂中，而正极活性材料和铝箔则相对稳定。此时，可以通过过滤、离心等物理方法将溶液中的黏结剂和导电剂分离出来。而正极活性材料和铝箔可以通过物理方法如振动筛分、磁选等进一步分离和回收利用[8]。

3 铝合金组件中铝的回收

铝合金组件的回收方法主要分为两种：物理回收和化学回收[9]。

物理回收方法是通过对废旧铝合金组件进行熔炼、分离、精炼等工艺处理，将铝材料从废旧组件中分离出来，然后再进行再生利用。这种方法的优点是操作简单，成本低，但是对于含有其他材料的废旧组件，分离效果不够理想。

化学回收方法是通过将废旧铝合金组件进行化学处理，将铝材料从废旧组件中溶解出来，然后再进行纯化、再生利用。这种方法的优点是可以处理含有其他材料的废旧组件，回收率高，但是操作复杂，成本较高[10]。

4 小结

回收的铝材料可以再利用于制造新的电池外壳、集流体、电池连接器、散热器等部件，也可以用于制造其他铝合金产品，如汽车零部件、建筑材料、电子产品等，进一步扩大了铝材料的再利用范围，促进了资源的循环利用[11]。并且回收铝材料也有着以下几个方面的优点：

1.节约资源：回收利用废旧铝材料可以减少对原材料的需求，节约资源，降低对自然环境的破坏。

2.降低能源消耗：铝材料的生产需要大量的能源，而回收利用废旧铝材料可以降低能源消耗，减少二氧化碳等温室气体的排放。

3.减少环境污染：铝材料的生产会产生大量的废水、废气和固体废弃物，而回收利用废旧铝材料可以减少这些废弃物的产生，降低环境污染。

4.经济效益：回收利用废旧铝材料可以降低生产成本，提高企业的经济效益。

5.社会效益：回收利用废旧铝材料可以创造就业机会，促进经济发展，提高社会福利水平。

总之，退役动力电池中的铝材料是一种重要的资源，其回收利用对于环保事业具有重要意义。通过物理分离、化学回收和再生利用等技术，可以有效地回收利用退役动力电池中的铝材料。未来，铝材料的回收利用技术将会更加成熟，回收利用率也将会更高[12]。

参考文献：

[1]王轩. LiFePO4正极废片回收及再生的性能研究[D].湘潭:湘潭大学,2018.

[2]张光文. 基于热解的废旧锂离子电池电极材料解离与浮选基础研究[D].北京:中国矿业大学（北京）,2019．

[3]卢世杰；周宏喜；郎平振,等． 废旧动力电池破碎料细碎 与剥粉试验研究[J]. 有色金属（选矿部分），202(3)： 62-68．

[4] 穆德颖；刘铸；金珊，等．废旧锂离子电池正极材料及电解液的全过程回收及再利用[J].化学进展,2020，32(7):950-965.

[5]彭结林.报废动力电池回收预处理方案及技术研究[D].合肥:合肥工业大学,2017．

[6]田万智.锂离子电池拆解工艺及试验研究[D]. 武汉:武汉科技大学,2019.

[7]靳星. 磷酸铁锂正极材料合成再生及性能研究[D]. 昆明：昆明理工大学,2020.

[8] 高瑞；王继芬. 废旧锂电池中有价金属的湿法回收技术研究进展[J]. 上海第二工业大学学报,2020,37(1):1-7.

[9]王海宇. 方形废旧动力电池拆解一体化设计探究[D]. 长春:长春理工大学,2020.

[10]刘煜. 纳秒激光加工硬质合金表面微织构及其性能研究[D]. 长春:吉林大学,2021.

[11]晏一菓. 纳秒激光切割锂离子电池负极极片的切缝特征研究[D]. 长沙:湖南大学,2019.

[12]曹利娜；宫璐；刘成士,等. 废旧锂离子电池回收技术研究进展[J]. 电源技术,2015,39(9):2014-2016.