1、第39卷第11期2014年11月環(huán)境科學(xué)與管理Nov2014收稿日期:20141027作者簡(jiǎn)介:賈正文(1994,男,在讀本科生,主要從事巖土工程的研究。文章編號(hào):16746139(201411009904廢舊鋰電池的回收與再利用研究賈正文,張國(guó)勝,李道寬(河南理工大學(xué),河南焦作454000摘要:目前廢舊電池污染對(duì)人類健康及環(huán)境造成的危害越來越受到人們的關(guān)注。結(jié)合目前國(guó)內(nèi)廢舊鋰電池回收概況及區(qū)域廢舊鋰電池回收的實(shí)地調(diào)研情況,了解廢舊鋰電池的回收再利用現(xiàn)狀及人們對(duì)廢舊鋰電池的認(rèn)識(shí),分析鋰電池的再利用價(jià)值。同時(shí),結(jié)合電池品種差異的特性,設(shè)計(jì)出針對(duì)性強(qiáng)、可行性高的廢棄鋰池回收體系;通過分析鋰電池工作

2、的基本工作原理、使用特性及電池材料組成成分,提出一些延長(zhǎng)鋰電池使用壽命、增加使用周期的方法。關(guān)鍵詞:危害性;回收體系;使用壽命與周期;再利用;鋰電池中圖分類號(hào):X78文獻(xiàn)標(biāo)志碼:Aecovery and euse of Waste Lithium BatteryJia Zhengwen ,Zhang Guosheng ,Li Daokuan(Henan Polytechnic University ,Jiaozuo 454000,China Abstract :Currently ,used batteries pollution poses great hazards to human he

3、alth and the environment ,and therefore ,attrac-ting more and more attentions from the publicCombined with the current recycling situation of waste lithium batteries and related regional field research profiles about them ,the status quo of recycling of waste lithium batteries and people's aware

4、ness of waste lithium batteries are learned ,and the value of recycling waste lithium battery is further analyzedTaken the differences in battery varieties into account ,this study designs a targeted and feasible recovery system of waste lithium batteriesSome methods that pro-long the service life o

5、f lithium batteries and increase their using cycle are put forward through the analysis of the basic operating principle ,the features when used and material composition of the batteriesKey words :harmfulness ;recycling system ;service life and cycle ;reuse ;lithium battery1研究背景和意義11中國(guó)廢舊鋰電池使用及回收現(xiàn)狀電池

6、作為電子設(shè)備必備的配置,在生產(chǎn)和生活中的地位和作用與日俱增。而手機(jī)等電子產(chǎn)品迅速普及的同時(shí)也給廢舊鋰電池的回收再利用亦帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。中國(guó)已是世界上電池生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó),每年的電池消費(fèi)量達(dá)到了80億只1。由于人們用電的方便、環(huán)保意識(shí)的提高以及經(jīng)濟(jì)效益的需要,生活中已經(jīng)很少使用一次性電池。而鋰電池作為重要的供電能源,其替代鉛酸和鎳氫電池是發(fā)展的必然趨勢(shì)。隨著價(jià)格持續(xù)下降,鋰離子電池取代鉛酸電池和鎳氫電池的速度也在加快。在消費(fèi)電子領(lǐng)域,鋰離子電池幾乎完全取代了后兩者。據(jù)網(wǎng)上調(diào)查顯示,2013年智能手機(jī)鋰電池需求增速約為50%,而平板電腦市場(chǎng)對(duì)鋰電池的需求增速超過230%,且以后將繼續(xù)高速增長(zhǎng)。由此

7、可見,對(duì)于鋰電池回收再利用的研究越來越為人們所需要。針對(duì)人們對(duì)鋰電池的處理狀況,從在河南鄭州、焦作等城市做的五百份調(diào)查中,可以了解到39.24%的市民是將鋰電池隨意扔掉,17.72%的人苦于沒有廢舊電池回收站而不知所措,30.38%的人將其放于一般的垃圾箱中,只有12.66%的人將廢舊的電池放到了指定的廢舊電池回收站。由此可見,廢舊電池在回收的源頭便呈現(xiàn)出極低的回收率,因此,更不用提更高的再利用率了。12廢舊電池的危害目前中國(guó)廢舊電池普遍采用的是與生活垃圾一起填埋、焚燒、堆肥等方法進(jìn)行處理2。即使少數(shù)電池被回收,也很少能再進(jìn)行加工利用。這不僅對(duì)資源造成了極大地浪費(fèi)同時(shí)更大程度上破壞了環(huán)境,危害

8、了人類的健康。廢舊鋰電池內(nèi)含有大量的重金屬以及廢酸、廢堿等電解質(zhì)溶液。長(zhǎng)期裸露地表或埋于地下,電池外殼慢慢被腐蝕,電池內(nèi)重金屬逐漸滲透入土壤和水體,產(chǎn)生重金屬污染,例如一粒紐扣電池就可以污染600立方米的水。被污染的水及土壤成分通過生物鏈等形式在人體內(nèi)不斷聚集,最終對(duì)人體造成極大的危害。一般電池中包含了汞、鉛、鎘等多種特殊物質(zhì)。其中,每種物質(zhì)對(duì)人體的傷害都是巨大的。盡管目前對(duì)電池的成分做了一定的要求比如要求電池少汞、 無汞等,但仍難以避免大量的金屬物質(zhì)對(duì)人類及大自然構(gòu)成的極大威脅。13廢舊鋰電池回收再利用的價(jià)值131廢舊鋰電池回收再利用的價(jià)值廢棄鋰電池并非百害而無一利,其大多數(shù)零部件可以回收,

9、尤其是重金屬的回收具有很高的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益3。通常,廢棄鋰離子電池含鈷、鋰、鎳的比例分別為5% 15%、2% 7%、0.5% 2%,還含有Cu 、Al 、Fe 等金屬元素。對(duì)這些現(xiàn)有匱乏的重金屬的回收再利用,不僅可以緩解鈷、鋰等資源短缺狀況、保護(hù)生態(tài)環(huán)境,也可以更好地節(jié)約資源保護(hù)人類健康。132廢舊鋰電池回收再利用的方法現(xiàn)如今采用如圖1的廢舊鋰電池處理工藝,可以實(shí)現(xiàn)材料的分離提取,對(duì)其進(jìn)行再加工,也可實(shí)現(xiàn)對(duì)其廢舊物的集中收集處理,避免污染擴(kuò)散。通過此簡(jiǎn)單的再處理過程便可實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的回收再利用,對(duì)廢舊物的集中處理銷毀 。圖1廢舊鋰電池再處理流程圖2廢舊鋰電池回收再利用的調(diào)查與建議21廢舊鋰電

10、池回收再利用的調(diào)查針對(duì)河南鄭州、焦作等地區(qū),開展了五百份關(guān)于廢舊鋰電池回收再利用的問卷調(diào)查。調(diào)查人群包含商人、學(xué)生、工人、農(nóng)民等,涉及題目十二個(gè),分別就對(duì)中國(guó)現(xiàn)如今廢舊鋰電池回收現(xiàn)狀、廢舊鋰電池的處理由誰負(fù)責(zé)任、鋰電池與其他一般電池的區(qū)別及其污染情況等問題進(jìn)行了調(diào)查。調(diào)查結(jié)果如下:針對(duì)生活周圍附近有無廢舊電池回收站的調(diào)查情況如圖2所示,由圖2可以看出65.48%的人表示生活周圍不存在廢舊電池回收站,而僅15.19%的人認(rèn)為周圍存在廢舊電池回收站(不排除部分市民將一般回收站誤認(rèn)為電池回收站,在調(diào)查過程中,絕大多數(shù)的調(diào)查對(duì)象表示,其隨意丟棄廢舊電池的主要原因是不知道廢舊電池回收裝置所在。生活中盡管

11、部分市民了解廢舊鋰電池的危害,但苦于沒有回收單位與組織,也被迫將電池存放,對(duì)其無可奈何。圖2生活區(qū)附近有無廢舊電池回收站調(diào)查結(jié)果圖對(duì)于中國(guó)目前的鋰電池回收現(xiàn)狀,了解到人們對(duì)回收再利用體系的滿意程度。僅5.06%的人對(duì)此表示滿意,如此低的滿意度不能不引起我們的高度重視。無論是政府還是生產(chǎn)廠商等都未能很好地促進(jìn)廢舊鋰電池的回收。關(guān)于由誰應(yīng)該主導(dǎo)廢舊電池的回收,人們對(duì)此有不同看法。其中政府與電池廠商分別是44.30%、37.97%的比例,此比例表明了人們對(duì)此問題的兩大主流看法,可見,促進(jìn)生產(chǎn)廠商與政府間的相互合作,普遍為人們所接受。同時(shí)相差無幾的比例也反映了人們對(duì)此的困惑與迷茫。17.72%的人認(rèn)為

12、民間機(jī)構(gòu)更應(yīng)該擔(dān)負(fù)起廢舊電池回收的重任,由此可見,良好的社會(huì)風(fēng)氣亦是人們認(rèn)為影響回收效果的重要因素。22廢舊鋰電池回收再利用的建議通過調(diào)查的幾個(gè)方面反映出了一系列的問題及人們對(duì)此的看法。從調(diào)查中不難看出,人們迫切地希望廢舊鋰電池能夠得到很好地處理與再利用。為此社會(huì)、政府、企業(yè)應(yīng)當(dāng)一道共同構(gòu)建廢舊鋰電池回收體系。221完善相關(guān)法律法規(guī)的保障制度加快中國(guó)相關(guān)法律的建設(shè)4。法律法規(guī)的健全是廢舊電池回收處理系統(tǒng)的外部驅(qū)動(dòng)力,只有充分發(fā)揮利益機(jī)制和法律規(guī)范兩種驅(qū)動(dòng)力的作用,回收處理產(chǎn)業(yè)才能真正運(yùn)行起來并產(chǎn)生實(shí)效。加強(qiáng)廢電池管理法規(guī)建設(shè)應(yīng)設(shè)立管理機(jī)構(gòu)進(jìn)行專門管理,并根據(jù)中國(guó)廢電池的生產(chǎn)、管理現(xiàn)狀以及廢電池

13、的發(fā)展趨勢(shì),制定合理的、符合中國(guó)實(shí)際情況的管理辦法和具體、可操作的管理實(shí)施細(xì)則;對(duì)電池產(chǎn)品環(huán)保指標(biāo)一定要進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān),而且在政策、稅收等方面應(yīng)鼓勵(lì)相關(guān)企業(yè)進(jìn)行工藝改進(jìn)和環(huán)保投資;同時(shí)要加強(qiáng)管理力度,建立健全廢電池管理的運(yùn)行機(jī)制;并應(yīng)逐步建立起相應(yīng)于管理體系各環(huán)節(jié)的管理法規(guī)執(zhí)行及監(jiān)管體系,以保證管理的有效、順利進(jìn)行。222制定規(guī)范、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)制定統(tǒng)一的使用及回收標(biāo)準(zhǔn),加大回收單位與組織規(guī)范性的建設(shè)。類比中國(guó)對(duì)手機(jī)充電器的統(tǒng)一規(guī)定,逐步完善電池的使用規(guī)范,使用統(tǒng)一電池,以確保電池的使用安全5及回收便利。3廢舊鋰電池的回收系統(tǒng)目前中國(guó)還未形成完善的廢舊電池的回收體系。回收率低的現(xiàn)狀直接限制了處理規(guī)模的

14、擴(kuò)大和處理技術(shù)的提高。面對(duì)如此現(xiàn)狀,再加上手機(jī)等電子產(chǎn)品的迅速普及,電池使用量與日俱增,廢舊電池特別是廢舊鋰電池的回收再利用面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。鋰離子電池大量應(yīng)用在手機(jī)、筆記本電腦、電動(dòng)工具等電子產(chǎn)品中,因此對(duì)鋰電池的回收可以有別于一般電池的回收,同時(shí)伴隨著鋰電池的普及,對(duì)鋰電池的回收亦可以很好地解決電池污染問題。鋰電池在使用過程中具有顯著的特性6:(1鋰電池多為電子產(chǎn)品所使用,適用范圍相對(duì)固定;(2鋰電池使用效率高,使用周期長(zhǎng),且周期相對(duì)固定;(3鋰電池成分相對(duì)環(huán)保,資源化程度高,可再用效率高;針對(duì)鋰電池的特性,對(duì)于鋰電池的回收,可提高其針對(duì)性,確定固定回收周期,致力于政府與電池廠商一道解決。以

15、便更好地實(shí)現(xiàn)鋰電池的回收再利用乃至于普通廢舊電池的回收與再利用。31提高針對(duì)性對(duì)銷售電子產(chǎn)品的廠家進(jìn)行管理,在銷售端建立回收點(diǎn),市民可以直接將使用后的電池交付銷售商,以此建立和加大回收流動(dòng)點(diǎn)的范圍。回收電池僅局限于鋰電池,其他電池應(yīng)該做分類處理,分類回收。建立網(wǎng)上回收運(yùn)營(yíng)體系。運(yùn)營(yíng)體系應(yīng)是網(wǎng)絡(luò)實(shí)地相結(jié)合的模式,也即是能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)上交易訂單,實(shí)體店實(shí)現(xiàn)實(shí)體交易的過程。同時(shí),盡量減少不必要業(yè)務(wù)辦理,減少銷售端負(fù)擔(dān)。32固定周期回收政府每年固定時(shí)間對(duì)生產(chǎn)電池的廠商及銷售商進(jìn)行檢查考核,并于固定時(shí)間內(nèi)對(duì)電池進(jìn)行集中的補(bǔ)貼與處理。形成規(guī)律性、周期性工作,加大政府對(duì)電池銷售管理的調(diào)控力度。對(duì)于回收站,規(guī)定每

16、周周末下午14:00 18:00為有償回收時(shí)段,減少人力物力開支。對(duì)于網(wǎng)站上提交的回收信息,靈活處理,雙方協(xié)商上門取貨時(shí)間。取貨時(shí)間局限在每月月末,且對(duì)電池?cái)?shù)量有所要求。33政府主導(dǎo)、廠商配合模式明確政府及廠商的基本分工及其職責(zé)。廠商及銷售商負(fù)責(zé)對(duì)電池的回收工作,政府配合廠商開展管理及處理工作。政府每年應(yīng)該固定投資電池廠商加大對(duì)其回收再利用的力度;生產(chǎn)商及銷售商也亦在回收過程中制定固定回收回報(bào)的經(jīng)濟(jì)措施,調(diào)動(dòng)市民的積極性。同時(shí),還應(yīng)加大宣傳與教育的力度,使人們認(rèn)識(shí)到電池的危害性及鋰電池回收再利用的可行性及效益性。形成結(jié)構(gòu)式、相互促進(jìn)的統(tǒng)一關(guān)系如圖3所示 。圖3政府、企業(yè)、個(gè)人回收關(guān)系圖以政府調(diào)

17、控指導(dǎo),企業(yè)實(shí)施踐行,多舉措并行的運(yùn)行模式來達(dá)到鋰電池在電池廠商及個(gè)人之間的良好循環(huán)。4加強(qiáng)鋰電池使用周期與壽命41改善循環(huán)性目前的鋰離子電池正極材料主要是LicoO2由于鈷資源貧乏,價(jià)格非常昂貴,因此尋找價(jià)格低廉且性能優(yōu)良的替代材料就成為目前非常活躍的研究熱點(diǎn)7。其中具有與LicoO2相近可逆比容量、來源廣泛、價(jià)廉、低毒、易回收的LiMn2O4被認(rèn)為是最有競(jìng)爭(zhēng)力的替代材料之一。但較差的循環(huán)性能限制了應(yīng)用。為了改善循環(huán)性能,采用摻雜其它低價(jià)離子來提高M(jìn)n的平均化合價(jià),從而抑制JahnTeller畸變,改善循環(huán)性能。在鋰電池使用過程中,Mn溶解、JahnTeller畸變和電解液分解是導(dǎo)致鋰離子電

18、池循環(huán)容量損失的主要原因。通過合成缺陷型摻雜型或包覆型LiMn2O4可有效抑制這些不利因素并改善循環(huán)性,其中對(duì)LiMn2O4進(jìn)行摻雜改性并優(yōu)化合成條件被認(rèn)為是解決比容量低與循環(huán)性能下降的最有效手段。42鋰電池使用保養(yǎng)可充電電池在存儲(chǔ)過程中,除了保證正常的溫度和濕度條件外,還必須對(duì)其進(jìn)行定期充放電保養(yǎng),以防止可充電電池容量損失,壽命降低,甚至漏液。鋰電池充放電過程通常分為3個(gè)階段如圖4所示。第1階段為小電流預(yù)充電,充電電流為I1當(dāng)充電電壓達(dá)到v1時(shí),進(jìn)入第2階段,即以大電流I2恒流充電,直到電池電壓達(dá)到v2,然后轉(zhuǎn)入第3階段,即恒壓充電,此后隨著時(shí)間的推移,充電電流逐漸減小。鋰電池放電時(shí)鋰離子不能全部移向正極,必須保留一部分鋰離子在負(fù)極,以保證在下次充電時(shí)鋰離子能夠暢通地嵌入通道。否則,電池壽命就相應(yīng)縮短。為了保證石墨層中放電后留有部分鋰離子,就要嚴(yán)格限制放電終止最低電壓。圖4鋰電池充電流程圖結(jié)合鋰電池的充放電特點(diǎn)及其自身所具有的特性,給出以下幾點(diǎn)建議:(1避免過充、過放現(xiàn)象。過充和過放電會(huì)對(duì)鋰電池、特別是液體鋰離子電池造成巨大的傷害。因而充電最好按照標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)方法充電。放電避免完全放電,過放對(duì)鋰電池的損傷是致命性的,直接影響鋰電池的使用周期與壽命。(2保證充放電環(huán)