馬成，薛辛，殷康健，朱龍冠

（株洲鼎端裝備股份有限公司，湖南 株洲 412000）

0 引言

隨著電動汽車關(guān)鍵部件——電池逐漸達(dá)到使用壽命，動力電池報廢量將越來越大。預(yù)計到 2020年，我國車用動力電池需求量將達(dá)到 125 GWh，報廢量將達(dá)到 32 GWh，報廢電池折算后質(zhì)量將達(dá)到約 50 萬t；到 2030年，車用動力電池的報廢量將達(dá)到 101 GWh，報廢動力電池質(zhì)量約 116 萬t。

目前，廢舊動力鋰離子電池的回收方式主要有 2 種：一是梯次利用——針對容量下降到原來的 70 %～80 %，無法在電動汽車上繼續(xù)使用的電池，進(jìn)行梯次利用，使這些電池可在其他領(lǐng)域，作為電源繼續(xù)使用一定時間；二是拆解回收——主要針對容量下降到 50 % 以下，無法繼續(xù)使用的電池，只能將電池進(jìn)行拆解和資源化回收利用。

因為鋰電池的使用具有一定的生命周期，所以使用一定時間后就要報廢，即使采取梯次利用，最終也要報廢。鋰電池由殼體、正極（鋁基片）、負(fù)極（石墨與銅基片）、電解液、隔膜等組成。如果不進(jìn)行拆解及分選，就無法回收廢舊電池中的有價材料和成分。鋰離子電池的正極活性物質(zhì)多為嵌鋰金屬氧化物，如 LiCoO、LiNiO、LiFePO 和 LiVO 等[1]。負(fù)極活性物質(zhì)多為石墨、鈦酸鋰等。電解液的溶質(zhì)多為 LiPF（目前商用的），而溶劑一般為碳酸甲酯、碳酸乙酯和碳酸甲乙酯等[2]。如何實(shí)現(xiàn)對有經(jīng)濟(jì)價值的材料高效回收與對無經(jīng)濟(jì)價值組分的無污化處理是筆者研究的重點(diǎn)[3-5]。為減少環(huán)境污染，提高再生資源綜合利用水平，筆者對退役動力電池智能拆解、破碎與物料歸集技術(shù)進(jìn)行了研究，設(shè)計了相關(guān)的成套裝備，構(gòu)建了 1 種高回收率、低能耗、無污染的退役動力電池綜合回收新工藝。

1 退役動力電池前處理工藝

根據(jù) USABC 的相關(guān)評估標(biāo)準(zhǔn)，動力電池的使用壽命終止判定指標(biāo)為實(shí)際容量下降到標(biāo)稱容量的80 % 以下。對判定使用壽命終止的動力電池進(jìn)行回收和二次利用將會大大減輕對環(huán)境的污染。而對不再擁有使用價值的廢舊動力電池則以循環(huán)再造的形式進(jìn)行再制造。

目前，國內(nèi)外對廢舊鋰離子電池的回收過程是：首先，將電池徹底放電；其次，對電池進(jìn)行拆解、破碎，分離出正極、負(fù)極、隔膜等各組成部分；然后，再對電極材料進(jìn)行堿浸出、酸浸出、除雜后萃取，以實(shí)現(xiàn)有價金屬的富集。在回收過程中，電池的拆解、破碎、分選是提高資源再生利用率的前提。目前，我國工業(yè)上針對該階段的技術(shù)主要為干法回收技術(shù)。但是，傳統(tǒng)的干法回收技術(shù)是通過機(jī)械分選法，利用電池不同組分的密度、磁性等物理性質(zhì)的不同，采取破碎、篩分等手段將電池材料粗篩分類，實(shí)現(xiàn)不同有用金屬初步分離回收的目的。由于鋰離子電池的結(jié)構(gòu)比較特殊，活性材料和集流體粘合緊密，不易解體和破碎，在篩分和磁選時，存在機(jī)械夾帶損失，很難實(shí)現(xiàn)金屬的完全分離回收。同時，傳統(tǒng)的干法回收技術(shù)也無法保證方形動力電池的處理。因此，需要對現(xiàn)有的技術(shù)工藝進(jìn)行升級改造[6-10]。

通過對我國現(xiàn)有技術(shù)的總結(jié)，以及對國外技術(shù)的分析研究，研制出一條適合中國工業(yè)化的退役動力電池智能拆解、破碎與物料歸集技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)智能拆解、高效破碎，有效分選。具體工藝流程圖如圖 1 所示。

圖1 工業(yè)化的退役動力電池智能拆解、破碎與物料歸集技術(shù)流程圖

退役后的動力電池首先經(jīng)過余能檢測。對于性能較好的電池，首先進(jìn)行梯級利用，主要用于儲能；對于性能較差的電池，首先進(jìn)行智能拆解，將電池組拆解成電池單體，對拆解得到的塑料外殼與金屬外殼進(jìn)行分類回收歸集。由于拆解后得到的單體電池仍帶有少量的電量，為了保證后續(xù)工段的安全性，需要對電池進(jìn)行放電處理。在破碎分選之前，放電后的單體電池在表面的水分被除去后，才能進(jìn)入原料倉。

廢電池原料從上料儲料倉開始，經(jīng)由電磁振動給料機(jī)，被送到二級破碎系統(tǒng)。經(jīng)破碎后的物料進(jìn)入多效分選工段。在這里，可分選出鋼殼（鐵）、塑料和隔膜。剩余的物料被送入炭化爐，在旋轉(zhuǎn)的炭化爐中邊被加熱，邊被往前送出。因為爐子被安裝得具有一定的傾斜角度，所以爐子每轉(zhuǎn) 1 圈，物料就在旋轉(zhuǎn)到上方時落下，而落點(diǎn)與起點(diǎn)之間的距離就是物料每次隨爐子旋轉(zhuǎn)半圈后前進(jìn)的距離。物料在爐中停留約 1 h 后出爐，經(jīng)螺旋輸送機(jī)，被送入冷卻料倉，儲存，及降溫。冷卻倉以水為介質(zhì)，進(jìn)行間接冷卻，并配有冷卻水塔。

冷卻倉中的物料被送入下一級分選（主要為篩分）。篩分的主要設(shè)備為圓振動篩。篩下物黑粉隨負(fù)壓氣流上升，進(jìn)入旋風(fēng)除塵器，接著經(jīng)進(jìn)一步分離后，從上部被吸進(jìn)布袋除塵器，然后從除塵器下方被排出，進(jìn)入負(fù)吸管道到黑粉料罐儲存。篩上物被送進(jìn)三級破碎系統(tǒng)，進(jìn)行第 3 次破碎。破碎后物料向上被輸送到分離器中。因為物料體積突然膨脹，重料銅片、鋁片落下進(jìn)入下一級分選。旋風(fēng)除塵器中的極小銅片、鋁片落下進(jìn)入圓振動篩。圓振動篩進(jìn)一步振動銅、鋁片，對銅、鋁片可能帶有的黑粉繼續(xù)過篩。篩下的黑粉再經(jīng)負(fù)吸管道，進(jìn)到黑粉料罐中儲存。篩上物銅、鋁片進(jìn)入跳汰機(jī)，經(jīng)水力分選。分出的銅片、鋁片各自裝袋入庫。

放電工段與炭化工段產(chǎn)生的廢氣經(jīng)收集后，經(jīng)過廢氣管道，進(jìn)入二次燃燒室，進(jìn)行再次的高溫燃燒。產(chǎn)生的高溫?zé)煔庠偻ㄟ^耐高溫管道，進(jìn)入煙氣換熱器（配有冷卻水塔）。高溫?zé)煔饨?jīng)換熱器降溫后，進(jìn)入布袋除塵器，使煙氣中的粉塵被收集，之后再一次進(jìn)入堿式噴淋塔與活性炭吸附塔，以除去煙中含有的酸性與有機(jī)成分，最后通過煙囪被排放。

2 智能拆解、破碎與物料歸集技術(shù)及其成套裝備（見圖 2）

首先，對退役的方形動力電池進(jìn)行識別分選與智能化轉(zhuǎn)載輸送。根據(jù)電池的尺寸、體積進(jìn)行識選，并將電池轉(zhuǎn)載至下一工段。其次，采用電池包（模組）的智能化拆解系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)拆解過程的智能化和高效化。再次，使拆解后得到的電池單體通過自動化的破碎系統(tǒng)，保證物料的一致性，實(shí)現(xiàn)電池單體安全、高效的破碎。然后，使破碎后的物料進(jìn)入清潔化的熱解系統(tǒng)。在熱解系統(tǒng)中不僅可以提高正、負(fù)極材料的回收率，而且可以實(shí)現(xiàn)碎料中有機(jī)物的無污化處理。最后，進(jìn)行智能化的物料歸集，將單體破碎后物料中的鋼殼、塑料、正負(fù)極粉，以及銅鋁粒歸集。因此，主要研究任務(wù)如下所示：

2.1 智能化的識別、分選

采用高精度的測量光幕在線檢測退役動力電池的外形尺寸和體積，測量退役動力電池的長、寬、高和體積等。具體方法如下：① 當(dāng)退役方形電池在勻速輸送帶上時，需要 2 套測量光幕，測量退役方形電池的寬度和高度，并由輸送帶的傳送速度和 2 套測量光幕的關(guān)系，精確計算出方形電池的體積；② 當(dāng)退役方形電池在非勻速輸送帶上時，需要 3 套測量光幕，測量退役方形動力電池的長度、寬度和高度，然后準(zhǔn)確計算出方形動力電池的體積；③ 當(dāng)退役方形電池在靜止平臺上時，需要 3套測量光幕測量退役方形動力電池的長度、寬度和高度，計算出退役方形動力電池的體積。

檢測出電池的外形尺寸后，再通過計算機(jī)編程控制機(jī)器人或者機(jī)械手對不同尺寸的退役電池進(jìn)行分類，實(shí)現(xiàn)了退役方形動力電池的識別與分選。

2.2 智能化的轉(zhuǎn)載運(yùn)輸

退役方形動力電池轉(zhuǎn)載和輸送裝置主要包括用于轉(zhuǎn)載的機(jī)械手和密封鏈帶輸送機(jī)。轉(zhuǎn)載機(jī)械手可以自由旋轉(zhuǎn)、伸縮或者移動。根據(jù)識選出的不同型號的電池，通過編程控制機(jī)械手的抓取，將抓取后的物料放置輸送帶上。設(shè)計上帶有機(jī)器視覺目標(biāo)精準(zhǔn)檢測的電池轉(zhuǎn)載機(jī)械手控制系統(tǒng)包括工控機(jī)和機(jī)械手控制系統(tǒng)。視頻目標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)包括實(shí)時采集物品抓取區(qū)圖像信息的可見光探測器、視頻信號放大器、高頻濾波器、A/D 轉(zhuǎn)換器、DSP 視頻信號處理控制器。DSP 視頻信號處理控制器通過 CAN 接口卡、CAN 總線與工控機(jī)連接。

通過在電池轉(zhuǎn)載機(jī)械手中加入物品目標(biāo)檢測功能，可以使轉(zhuǎn)載機(jī)械手對不同形狀，不同大小的物品具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，不需要因物品形狀和大小改變，而重新進(jìn)行示教工作，減小了機(jī)器人操作的復(fù)雜程度，同時由于可以精確獲得物品的尺寸大小，也具有較高的抓取精度。

2.3 智能化的拆解系統(tǒng)

現(xiàn)今，廢舊動力電池模組的拆解多數(shù)采用全人工拆解方式。這種拆解方式不僅危險性大，而且噪聲大，流程長，效率不高，對工人的身體也會造成一定損傷。采用智能化、自動化的廢動力電池包（模組）拆解系統(tǒng)，可以提高電池模組拆解的工作效率，極大地降低勞動強(qiáng)度。

智能化的拆解系統(tǒng)包括送料設(shè)備、切割定位設(shè)備、自動切割設(shè)備、出料滾道和拆解工作臺。沿著廢舊動力電池模組的行進(jìn)方向，依次設(shè)置送料設(shè)備、切割定位設(shè)備、出料滾道和拆解工作臺。自動切割設(shè)備中的切割裝置位于切割定位設(shè)備的正上方。送料設(shè)備、切割定位設(shè)備、自動切割設(shè)備、出料滾道和拆解工作臺分別為獨(dú)立的模塊。由這些模塊拼合成連續(xù)的生產(chǎn)線，便于安裝和維護(hù)，且具有較高的自動化程度，可自動完成定位和切割加工。

送料設(shè)備中采用了可編程的機(jī)器人或機(jī)械手，通過對電池包（模組）的成像，并根據(jù)廢舊動力電池包（模組）的尺寸，調(diào)整切割裝置，從而可實(shí)現(xiàn)切割的準(zhǔn)確定位。送料機(jī)器人或機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)電池包（模組）的翻轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)。

切割裝置包括通過滾珠絲杠上下運(yùn)動的機(jī)架、固定在機(jī)架上的固定鋸片、平行設(shè)置在固定鋸片右側(cè)位置的左右可調(diào)的活動鋸片。這種結(jié)構(gòu)的切割裝置可依據(jù)廢舊動力電池模組的形狀和尺寸，調(diào)節(jié)固定鋸片和活動鋸片之間的間距，切割廢舊動力電池模組的左右兩端；之后，再通過機(jī)械手，抓取電池包（模組），重新調(diào)整電池包（模組）的位置，再次切割，實(shí)現(xiàn)電池包（模組）4 個側(cè)面外殼的準(zhǔn)確切割；然后，再通過機(jī)器人機(jī)械手取出電池單體。

出料滾道包括 2 條平行設(shè)置的沿著左右方向延伸的導(dǎo)向槽。導(dǎo)向槽之間裝有多條滾軸。采用這種結(jié)構(gòu)的導(dǎo)向槽可容納退役動力電池包（模組）的支撐腳，同時避免其偏移。滾軸的作用是便于推出退役動力電池包（模組），節(jié)省人力。

拆解工作臺的臺面與導(dǎo)向槽的底部等高，保證退役動力電池包（模組）順利從出料滾道進(jìn)入拆解工作臺。

總的說來，這種智能化拆解系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：采用了可編程的機(jī)器人或機(jī)械手、自動化的定位設(shè)備和切割設(shè)備；可快速、高效地拆解退役動力電池包（模組）；增強(qiáng)了拆解的安全性，減輕工人的勞動強(qiáng)度；便于集中處理拆解下來的外殼。

2.4 自動化的破碎系統(tǒng)

此工段處理的廢鋰離子電池為模組經(jīng)拆解后的單體電池。單體電池在進(jìn)入破碎前，需要對其進(jìn)行放電處理。對角尺寸在 25 cm 以下的電池均要可處理范圍之內(nèi)，所以兼容性較高。

自動化破碎系統(tǒng)包括多級破碎：一級高速旋轉(zhuǎn)齒輥式破碎機(jī)、二級高速旋轉(zhuǎn)齒輥式破碎機(jī)和三級高速旋轉(zhuǎn)刀片式破碎機(jī)。一級高速旋轉(zhuǎn)齒輥式破碎機(jī)，也可被稱為粗破機(jī)，將單體電池快速切斷。切斷后物料的尺寸在 5～10 cm。整套裝置被置于密封罩內(nèi)，有效地防止了破碎過程中溢出的電解液揮發(fā)至空氣中。二級高速旋轉(zhuǎn)齒輥式破碎機(jī)將一級破碎后的物料通過動刀和定刀的剪切，使電池料被快速打開、破碎，直至碎料粒徑小于篩網(wǎng)孔徑后漏出。經(jīng)破碎后電池碎的片尺寸在 10～17 mm。三級高速旋轉(zhuǎn)刀片式破碎機(jī)，也可稱之為摩擦打散工段，被設(shè)置在整體系統(tǒng)的后段，主要處理熱解子系統(tǒng)出來的物料，將熱解后的碎料進(jìn)行摩擦打散，把碎料破碎成更小的顆粒（粒徑在 2～5 mm）。

2.5 清潔化的熱解系統(tǒng)

鋰離子電池破碎后碎料中存在的有機(jī)物主要為電解液、粘結(jié)劑，以及隔膜等無回收價值的組分。為了提高經(jīng)濟(jì)價值較高的電池材料的回收率，要對破碎后物料中有機(jī)物進(jìn)行低溫?zé)峤馓幚恚⑶冶ＷC低溫?zé)峤膺^程高效、安全、環(huán)保。清潔化的熱解系統(tǒng)主要包括熱解系統(tǒng)和煙氣的清潔化處理系統(tǒng)。

熱解系統(tǒng)的主體設(shè)備為低溫?zé)峤鉅t，并配備天然氣燃燒系統(tǒng)。破碎后的物料經(jīng)過密封式輸送器，被輸送至低溫?zé)峤鉅t內(nèi)進(jìn)行處理。在低溫?zé)峤鉅t的前端設(shè)有燃燒室，主要用于天然氣的燃燒。

清潔化的煙氣處理系統(tǒng)主要包括二次燃燒室、煙氣冷卻塔、布袋除塵器、堿式噴淋塔，以及活性炭吸附塔。由低溫?zé)峤鉅t產(chǎn)生的煙氣首先進(jìn)入二次燃燒室，進(jìn)行再次的高溫充分燃燒。產(chǎn)生的高溫?zé)煔膺M(jìn)入煙氣冷卻塔，經(jīng)降溫后進(jìn)入布袋除塵器，再經(jīng)除塵后依次進(jìn)入噴淋塔、活性炭吸附塔，最后經(jīng)煙囪排出。

2.6 智能化的物料歸集

針對破碎后鋼殼和塑料，以及熱解后正負(fù)極材料、銅粒、鋁粒，需要進(jìn)行物料歸集。智能化的物料歸集可實(shí)現(xiàn)電池中各組分的高效回收與分選，實(shí)現(xiàn)正極材料的高回收率。

智能化的物料歸集主要用于電池破碎后碎料中各組分的分選，包含多級分選：① 碎料中的黑粉通過多級振蕩篩進(jìn)行分選；② 碎料中的隔膜、塑料，以及鋼殼通過多效分選機(jī)進(jìn)行分選；③ 碎料中的銅、鋁通過銅、鋁分選機(jī)進(jìn)行分選，得到銅、鋁金屬。由于每臺設(shè)備對碎料中的物料分選具有專一性，再分選過程中其他成分的夾雜較少，可提高物料的分選效率。在物料歸集過程中，通過編程控制，實(shí)現(xiàn)物料精確分選、歸集。最終將實(shí)現(xiàn)：正負(fù)極粉總回收率 ≥98 %，鋼殼回收率 ≥99 %，銅回收率 ≥95 %，鋁回收率 ≥95 %，隔膜回收率 ≥80 %。

圖2 工業(yè)化的退役動力電池智能拆解、破碎與物料歸集系統(tǒng)

3 結(jié)論

筆者通過測量光幕可快速準(zhǔn)確地進(jìn)行電池的識選，通過帶有機(jī)器視覺目標(biāo)的電池轉(zhuǎn)載機(jī)械手控制系統(tǒng)，精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)對電池的抓取，解決了退役方形動力電池的多維識選與智能轉(zhuǎn)載難題。為了解決電池中貴重組分的高效歸集回收，筆者研制的智能化拆解系統(tǒng)，通過機(jī)器人或機(jī)械手作業(yè)，及電腦成像等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了拆解過程的準(zhǔn)確定位與高速作業(yè)。針對拆解后得到的單體電池，筆者研制出自動化的破碎系統(tǒng)。該破碎系統(tǒng)分為多級破碎：一級粗破碎、二級主破碎、三級細(xì)破碎。整套系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)、編程控制。單體電池經(jīng)過二級主破碎后，為實(shí)現(xiàn)碎料中無經(jīng)濟(jì)價值的有機(jī)成分無污化處理，滿足生態(tài)環(huán)保要求，筆者研制出一種清潔化的熱解系統(tǒng)，將碎料送至該系統(tǒng)，通過熱解將碎料中無回收價值的有機(jī)成分無污化處理，再通過清潔化的煙氣處理系統(tǒng)處理熱解過程中產(chǎn)生的煙氣。為實(shí)現(xiàn)物料的高效分選與回收，筆者設(shè)計了物料的智能化歸集系統(tǒng)，針對物料中不同的組分，研制出相應(yīng)的專一性成套裝備，通過控制系統(tǒng)分選出相應(yīng)的物料成分。