废旧锂电池物料分离收集装置

锂离子电池在电网储能、电动汽车、计算机、通信和消费类电子产品领域得到了快速发展和广泛应用，规模及数量不断扩大增加，根据电池使用寿命预测：到2024年废旧锂电池累计报废量将达到100万吨以上，并将呈现爆发式累积性增长趋势。其健康、环境、安全隐患的累积效应成倍放大，不容忽视[1-2]。若不能有效回收处理，还造成资源浪费[3-4]。开展废旧电池回收利用可减少电池材料类矿产资源的开发数量，降低对自然环境破坏，提高资源利用率，实现电池全寿命周期的绿色闭环；资源化、无害化处理可以产生显著的资源、环境及经济等综合效益，破解钴、锂等矿产资源短缺的战略瓶颈。

目前，部分已公开的锂电池回收处理方法存在如下不足：这些方法大都重点关注了钴、镍等贵金属组分的回收利用，或者仅对电极材料进行回收利用[5]，未充分回收利用其他组分，未对有害组分进行无害化处理，回收过程存在二次污染；回收工艺复杂，需要引入大量化学试剂或者需要高温处理；回收处理设备效率低，不具备大规模产业化运行条件[6-8]。

废旧锂电池回收处理技术发展方向是清洁环保、低碳低能耗、高效自动化等，要能完成正极材料资源化利用和其他组分有效回收，对有害组分进行环保处置，防止二次污染。

在已有回收技术基础上，本文设计开发了废旧锂电池全组分物料分离收集装置。该装置采用物理法实现废旧锂电池中各组分的分离收集。通过机械破碎、真空分离、震动筛分、比重分离、气流分离等步骤，实现废旧锂电池中电极材料、集流体金属、塑料隔膜、电池外壳的分离收集。分离收集过程不引入任何化学试剂，全程自动化。它能对电解液、粉尘等进行收集处理，具有回收效率高、绿色低碳、环保节能、便于产业化等特点[9]。

1 废旧锂电池物料分离收集工艺

如图1所示，废旧锂电池物料分离收集工艺步骤包括：

(1)废旧动力锂电池经给料口送入对辊碾压机，挤压破碎后，得到初级碎片；

(2)初级碎片自上部给料口进入机内，在叶片的摩擦和冲击作用下粉碎成粒径小于1 cm的二级碎片，二级碎片在单层振动筛内均匀铺开，隔膜在风力的作用下通过集气罩进入隔膜收集装置，其装置顶部安装有布袋除尘器，去除吸附在隔膜上的粉尘；

(3)二级碎片由加料斗进入机腔内，物料受高速运动锤子的打击、冲击、剪切、研磨成粒径小于18目的三级粉碎物料；

(4)步骤(1)～(3)采用电解液吸附收集装置去除电解液：电解液在电解液吸附收集装置中抽风机的抽吸作用下从电池物料中转移，经冷凝器冷凝后收集在电解液收集箱中；

(5)三级粉碎物料由上部进料口进入风选机，落到螺旋桨撒料盘上，在撒料盘的高速旋转作用下，物料向四周撒出，同时受上升气流作用向上扬起，在撒料盘螺旋桨叶片上形成沸腾状物料；物料中较轻的正负极粉料随循环风进入外部旋风集尘器内收集，而较重的铜铝金属颗粒沿筒壁落下，从内锥体排出，完成铜铝金属颗粒与正负极粉料的分选；

(6)三层振动筛将铜铝金属颗粒分为18目、24目、30目等级的混合料，分别进入比重分选机，在机械振动和上升气流的作用下，比重大的铜颗粒向下运动，比重小的铝颗粒向上运动，完成铜铝金属颗粒的分选；

(7)正负极材料进入旋风筒内进行二级分离收集，正负极材料被与水平面夹角呈30°的喷嘴以一定高度抛起，物料即呈0.5～1.2 m高的抛物线状，与此同时，旋风筒沿与物料抛物线垂直方向产生1.2 m/s的均匀气流场，气流场分布宽度为0.3～1.5 m，在正负极材料下落过程中，比重较轻的负极材料石墨被气流吹走并从旋风筒上部排出，正极材料则继续回落并自旋风筒底部排出，实现正负极材料分离收集。

图1 废旧锂电池物料分离收集工艺流程

2 废旧锂电池物料分离收集装置与工作流程

如图2～图3所示，废旧电池物料分离收集装置由传送部分、破碎部分、分离部分、除尘部分等四部分组成。其中破碎部分由初级破碎设备、二级破碎设备、深度破碎设备构成；分离部分由气流分选设备、电磁分离设备组成；除尘部分由脉冲除尘器和布袋除尘器组成。

图2 废旧锂电池全组分物料分离收集装置示意图

图3 废旧锂电池预回收处理装置实物图

2.1 初级破碎装置

初级破碎装置主要由机体轧辊与安全弹簧等部分组成，传动方式由一个封闭式电动机经三角皮带，链轮传动两个轧辊按相反方向回转，破碎物料。轧辊间隙可以在规定范围内适当调节，以控制出料粒度的大小。

2.2 二级破碎装置

二级破碎装置工作原理：电机带动主轴及涡轮高速旋转。涡轮与筛网圈上的磨块组成破碎、研磨副，其结构紧凑。当物料由加料斗进入机腔内，使进入机腔的物料在旋转气流中紧密地摩擦和强烈地冲击到涡轮的叶片内边上，并在叶片与磨块之间的缝隙中再次研磨。

2.3 深度粉碎装置

深度粉碎装置工作原理：锤式破碎机的电动机带动转子在破碎腔内高速旋转。物料自上部给料口给入机内，受高速运动锤子的打击、冲击、剪切、研磨作用而粉碎。在转子下部设有筛板，粉碎物料中小于筛孔尺寸的粒级通过筛板排出，大于筛孔尺寸的粗粒级阻留在筛板上继续受到锤子的打击和研磨，直到物料粒径达到要求。

2.4 电极材料与集流体分离装置

电极材料与集流体分离装置工作原理：高速电机通过传动装置带动立式传动轴转动，物料通过设在选粉机室上部的进料口进入选粉室内，再通过设置在中粗粉收集锥的上下两锥体之间和通粉管道落在撒料盘上，撒料盘随立式传动轴转动，物料在惯性离心力的作用下，向四周均匀撒出，分散的物料在外接风机通过进风口进入选粉室的高速气流作用下，物料中的粗重颗粒受到惯性离心力的作用被甩向选粉室的内壁面。碰撞后失去动能沿壁面滑下，落到粗粉收锥中，其余的颗粒被旋转上升的气流卷起，经过大风叶的作用区时，在大风叶的撞击下，又有一部分粗粉颗粒被抛到选粉室的内壁面，碰撞后失去动能沿壁面滑下，落到粗粉收集锥中。

2.5 振动筛分设备

振动筛分设备由筛盖(通常设有进料接口)、筛框(内装筛网组件)、驱动装置(通常为立式振动电机)、隔振装置(一组支承弹簧)、底座等部分组成，其中，筛盖与筛框为振动部分，其它部分为非振动部分，底座兼有支承功用。筛框为旋振筛的主要参振部分。筛框由板材卷焊而成，其上下端均有一承接圈，下内部设有一法兰圈，用于固定筛网组件等结构。

振动筛工作时，其动力装置即振动电机上下两端不同相位的偏心块由于高速放置作用而产生一复合惯性力，该惯性力强迫筛机振动体作复旋运动，筛框在振动力的作用下连续作往复运动，进而带动筛面作周期性振动，从而使筛面上的物料随筛箱一同作定向抛物式运动，其间，小于筛面孔径的物料通过筛孔落到下层，成为筛下物，大于筛面孔径的物料经连续跳跃运动后从排料口排出，最终完成筛分工作。

2.6 铜铝颗粒分离设备

铜铝颗粒分选是根据铜铝颗粒之间比重、容重、摩擦系数以及悬浮速度等物理性质的不同，利用他们在运动过程中产生的自动分级，借助适当的工作面进行分选的。比重分选工作面为鱼鳞孔板，鱼鳞孔板进行往复振动，在工作面往复振动的作用下产生自动分级，比重大、表面光滑、粒度小的物料沉于底部，并与筛面相接触，而比重小、表面粗糙、粒度大的物料则浮于上层，辅以气流作用，物料呈现半悬浮状态。随着物料的连续流入，上层的铜颗粒在往复振动、自身质量及进料的推挤力等作用下，沿倾斜工作面流向下出料口，而沉于底层的物料则沿倾斜工作面随筛面推力的作用向上出料口爬行，实现铜铝颗粒物料的分离。

2.7 正负极物料分离设备

正负极物料分离设备主要包括旋风筒、喷嘴、气流发生器、物料收集装置。正负极材料自位于旋风筒内部左侧下端的喷嘴中以一定高度抛起，物料即呈0.3～1.5 m高的抛物线状，与此同时，旋风筒沿与物料抛物线垂直方向产生0.5～2.0 m/s的均匀气流场，气流场分布宽度为0.2～2.0 m，在正负极材料下落过程，比重较小的负极材料石墨被气流吹走并从旋风筒上部排出，正极材料则继续回落并自旋风筒底部排出，实现正负极材料分离收集。

3 废旧锂电池物料分离收集实验验证

3.1 样品名称、编号与来源

样品型号/名称：20 Ah软包锂电池，如图4所示；样品质量：500 kg；样品状态：已报废，无梯级利用价值。

图4 废旧软包锂电池

3.2 实验环境与流程

环境温度：25℃；环境湿度：30%。

预处理：拆除电池箱体、电池管理系统、电气元件、导电带、固定部件等组件；清除电池表面污渍；清除电池里面混杂的杂质(螺帽、螺钉、铁块等)。

碾压破碎：热解后的锂电池在对辊碾压作用下，软包电池被撕碎成小于2 cm的碎片。

刀式破碎：碾压破碎后的电池碎片在刀式破碎机作用下，得到小于0.5 cm的碎片。

锤式粉碎：刀式破碎的电池碎片在锤式破碎机的作用下，得到粒径小于18目的颗粒。

气流分选：锤式粉碎的颗粒混合物在气流分选作用下分选为铜铝颗粒混合物和正负极粉料混合物。

振动筛分：铜铝颗粒混合物在振动筛分作用下分选为18目、24目、30目的颗粒混合物。

比重分选：振动筛分分选的铜铝颗粒混合物分别进入比重分选机，在比重分选机的作用下分选为18目、24目、30目的铜颗粒和铝颗粒。

正负极材料进入旋风筒进行二级分离收集，得到负极材料石墨和正极材料。

3.3 实验结果

废旧软包锂电池经过上述一系列回收工艺处理后，电池中的电解液及隔膜被热解为废气和废液，并分别进行了无害化处置，废旧软包锂电池中的其它组分被分选为铜颗粒、铝颗粒以及正负极粉料混合物。分选后的铜颗粒、铝颗粒以及正负极粉料混合物如图5所示。

图5 废旧锂电池分离物料图

4 结论

开发了一套废旧锂电池全组分物料干法全自动分离收集设备，装置处理废旧电池物料500 kg/h。装置具备低成本、低能耗和环境友好等特点。