废旧锂电池放电工艺与典型污染物释放研究

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近年来,随着新能源汽车产业的快速发展,锂电池的产量不断增长。市场上现有的锂电池若干年后将要退役。这些退役的废旧锂电池含有大量的金属和有机物,随意丢弃的话会造成严重的环境污染。如果加以回收与资源化利用,这些废旧锂电池就是放错地方的宝藏,其中含有的Ni,Co,Li等金属元素的含量比自然矿藏还要高。目前,传统的废旧锂电池回收工艺主要为预处理,二次处理和深度处理,其中预处理的第一步为废旧锂电池的放电。放电处理主要分为物理放电,化学放电和穿刺放电。在实际工程中多用NaCl溶液浸泡放电,这种放电方式虽然放电速率较快,但是在放电过程中以及放电后所造成的二次污染较为严重。因此,研究废旧锂电池高效、清洁、经济的放电方式具有重要意义。本文通过对比研究手段,选择氯盐溶液、碱性溶液、硫酸盐溶液和有机酸溶液四种不同的溶液体系对锂电池进行浸泡放电研究。通过单因素实验,研究不同溶液体系实现快速放电的可行性;通过观察和工业CT分析不同溶液的快速放电机理;通过3因素5水平正交实验,改变放电液的种类,浓度,温度等参数,探索最佳放电效率参数;通过滤膜采样/氟离子选择性电极法,以及ICP和GCMS等设备,对放电过程的重金属和氟化物释放情况进行研究;最后对不同溶液放电的经济性进行评估。结果表明,氯盐溶液、碱性溶液和有机酸溶液均可在短时间内破坏电池结构,使锂电池因为短路而快速放电。但是,不同溶液的放电机理有所不同。氯盐溶液通过电化学作用腐蚀电池阳极的铁合金外壳和铝片电极,从而使电池内部电芯完全裸露于盐溶液中造成电池短路,瞬间释放电池电压。碱性溶液则可以溶解电池阳极铝片电极,从而造成电池短路,实现安全放电。而有机酸溶液则仅仅溶解电池外壳正负极之间的绝缘垫片,达到短路电池的目的。比较三种溶液的优缺点发现,从效率角度出发,采用1mol/L的KCl溶液(氯盐溶液),在60℃条件下可以最快(2小时)实现安全放电,但是会向环境释放重金属和氟化物;从环保角度出发,采用L-抗坏血酸溶液(有机酸溶液)最快4小时可以实现安全放电,而且可以不向外界释放重金属和氟化物;从经济角度出发,采用NaOH溶液(碱性溶液)处理同等数量的锂电池,最快可以在2.5小时内实现安全放电,成本仅为KCl溶液和L-抗坏血酸溶液的15%,而且释放的重金属和氟化物明显低于KCl溶液。最后,在综合考虑效率、环境和经济三个方面后认为,在保证安全生产的前提下,采用NaOH溶液具有较好的工业应用前景。
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