电池回收技术–第1部分：简介和回收准备

对石油枯竭，油价上涨，快速的气候变化和温室气体排放的担忧促使主要经济国家增加了对传统能源替代品的需求。由电池供电的电动汽车（EV）是一种很有前途的技术，已经在商业上使用。

电池回收

使用寿命已到的电池应予以回收。电池中含有极有害的成分，例如汞，铅，镉，镍，锌和钴，所有这些成分均会对环境造成相当大的负面影响。粗心的处置会导致这些有害物质和重金属的泄漏，危及人们的健康并造成污染。电池外壳腐蚀，会导致土壤和水的化学污染，某些电池类型在某些情况下会引起火灾。

电动汽车使用量的增加加剧了对正确电池回收的需求。幸运的是，这个问题已经得到认识，世界上电池回收过程的数量也在增加。

由于电动汽车电池中使用的特定材料仅在部分国家/地区可用，因此获取资源对于确保稳定的链供应至关重要。将来，EV电池可能会被证明是用于关键材料的宝贵二级资源。有人认为，应立即回收钴基电池以改善钴的供应。

电动汽车中最常用的电池类型是锂离子（Li-ion）。但是，由于锂离子电池的广泛使用，除非电池得到适当的回收，否则将来可能会缺乏原材料，并会严重影响环境。电池回收的好处既经济又环保。电池回收可以减少垃圾填埋场的浪费，从而保留了有限的原材料并保护了环境。

回收前处理

存放老化的电池可能不安全（且不可持续），因此，如果电池无法重复使用，则应进行修理或回收。

大多数电池回收过程都需要拆卸的电池，至少要达到其模块级别。但是，拆卸电池不是一个简单的过程，并且存在许多相关的危害。从电动汽车上拆卸电池时，需要高压培训和绝缘工具以防止人员触电或短路。短路会导致快速放电，这可能导致所谓的电池“热失控”。最终，这会释放出特别有害的副产物，包括氟化氢（HF）气体，该副产物会与其他气体一起积聚并最终导致电池爆炸。电池包含易燃的电解质，有毒和致癌的电解质添加剂以及潜在的有毒或致癌的电极，所有这些均具有化学危险。

电池拆卸挑战

电池结构进一步使回收过程复杂化。锂离子电池是紧凑，复杂的设备，具有各种尺寸和形状，并且不能拆卸。简单来说，每个电池都包含一个阴极，阳极，隔膜和电解质。组件紧密缠绕或折叠，并安全地包装在塑料或铝制外壳中。不同的电动汽车制造商使用不同的方法来供应电动汽车。另外，市场上可买到的电动汽车具有多种不同的物理电池配置，电池类型和化学成分。多种形式代表着电池回收的更大挑战之一。

共有三种类型的电池：圆柱形，方形和袋式电池（如图1所示）。

图1.锂离子电池单元形式的比较。从左到右：圆柱形，棱柱形和袋形。

特斯拉S和X型号使用的是特斯拉与松下在Gigafactory生产的圆柱形电池。Tesla Model S每包使用16个模块，每个模块使用444个电池。但是，特斯拉正在考虑在中国制造的汽车中使用棱柱形磷酸锂（LFP）电池。

宝马的电动汽车使用方形电池（图2）。BMW i3每个电池组有8个模块，每个模块有12个电池单元。

日产Leaf具有集成的袋式电池单元类型，每包48个模块，每个模块4个电池单元。

图2. BMW i3中的电池系统。标称电压：360V，容量：40.0kWh，重量：278kg，尺寸：1660 x 964 x 174mm。

所有这三种包装形式的物理配置都非常不同，因此需要不同的拆卸方法，尤其是在自动化方面。棱柱形电池具有平坦的（薄膜状）电极。圆柱状细胞紧密缠绕。必须牢记的是，制造商还使用不同的化学成分，这需要使用不同的回收方法，这些方法会对整体经济生存能力产生重大影响。

电池诊断

在其他应用（例如充电站和固定式能量存储）中重复使用电池需要对电池的运行状况进行精确评估，以对电池是否适合重复使用（如果适用）进行分类。

健康状态（SOH）是电池与新电池相比的一般状况的度量。考虑了诸如充电性能，电池内阻，端子电压和自放电率等因素。SOH提供有关电池长期容量的信息，并指示已消耗了电池寿命能量消耗量以及剩余量。电池能量通过量表示可以在其整个生命周期内存储和传递的电池能量总量。该信息可以在电池保修证书中注明。SOH估计需要更换电池之前还剩下多少时间，从而帮助管理人员预测潜在的问题并制定更换策略。

充电状态（SOC）是电池充电或放电的速率，以百分比表示（0％为空，而100％充满电）。SOC基准通常定义为当前电池容量。

电化学阻抗谱（EIS）可以提供有关所谓电池健康状况的信息，以及诸如锂涂层等老化机制的指示。EIS可以用作决定是重复使用还是回收电池的基础，更重要的是，可以用来确定可能对进一步处理产生重大后果的潜在危险。EIS还用于测试初级生产中的电池。电动汽车制造商计划使用类似的技术来操作和维护电动汽车的电池，并在现场更换有缺陷的模块。

有关电池状态估计的更多信息，请参见“电池管理系统–第2部分：电池状态”。

电池回收的准备过程

一旦指定要回收的电池，它将经历几个过程：电池钝化，电池的开封和拆卸（材料分离）以及电池的粉碎和破坏。

电池的性能下降主要是因为充电/放电循环会导致电池单元中形成固体。这些不稳定的成分在高于194°F（90°C）的温度下易于分解，释放出易燃气体和氧气。这些成分在阳极表面上形成钝化膜，限制了电化学反应并增加了电池内部电阻。钝化-去除钝化层-对于使易燃化学品免受火灾危害很重要。

当电池连接到负载时，可以实现钝化。钝化膜的高电阻会导致电压快速下降。电池放电过程会缓慢去除薄膜，从而降低内部电阻。如果负载保持恒定，则电压将恢复到稳定的稳定值。通过增加外部负载，电压将再次下降，该过程将继续进行直到完全去除钝化层为止。

钝化和拆卸后，用切碎机或高速锤将电池组件切碎。将该材料浸入苛性水（氢氧化钠，NaOH）中，该电解质中和电解质，从而回收黑色金属和有色金属。

切碎之前，电池放电是重要的考虑因素，因为它具有重要的安全意义。但是，在切碎之前对电池放电会增加该过程的成本。最佳放电水平尚未确定。取决于电池的化学性质，过度放电会导致铜溶解在电解质中。铜的存在会对回收过程产生负面影响，因为它会污染其他材料，包括阴极和隔板。此外，如果电池电压升高，铜会沉积在整个电池中，并增加发生短路和热流出的风险。