废旧锂电池的回收与再利用研究 - 贾正文-

1、第39卷第11期2014年11月环境科学与管理Nov2014收稿日期:20141027作者简介:贾正文(1994,男,在读本科生,主要从事岩土工程的研究。文章编号:16746139(201411009904废旧锂电池的回收与再利用研究贾正文,张国胜,李道宽(河南理工大学,河南焦作454000摘要:目前废旧电池污染对人类健康及环境造成的危害越来越受到人们的关注。结合目前国内废旧锂电池回收概况及区域废旧锂电池回收的实地调研情况,了解废旧锂电池的回收再利用现状及人们对废旧锂电池的认识,分析锂电池的再利用价值。同时,结合电池品种差异的特性,设计出针对性强、可行性高的废弃锂池回收体系;通过分析锂电池工作

2、的基本工作原理、使用特性及电池材料组成成分,提出一些延长锂电池使用寿命、增加使用周期的方法。关键词:危害性;回收体系;使用寿命与周期;再利用;锂电池中图分类号:X78文献标志码: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研究背景和意义11中国废旧锂电池使用及回收现状电池

6、作为电子设备必备的配置,在生产和生活中的地位和作用与日俱增。而手机等电子产品迅速普及的同时也给废旧锂电池的回收再利用亦带来了严峻的挑战。中国已是世界上电池生产和消费大国,每年的电池消费量达到了80亿只1。由于人们用电的方便、环保意识的提高以及经济效益的需要,生活中已经很少使用一次性电池。而锂电池作为重要的供电能源,其替代铅酸和镍氢电池是发展的必然趋势。随着价格持续下降,锂离子电池取代铅酸电池和镍氢电池的速度也在加快。在消费电子领域,锂离子电池几乎完全取代了后两者。据网上调查显示,2013年智能手机锂电池需求增速约为50%,而平板电脑市场对锂电池的需求增速超过230%,且以后将继续高速增长。由此

7、可见,对于锂电池回收再利用的研究越来越为人们所需要。针对人们对锂电池的处理状况,从在河南郑州、焦作等城市做的五百份调查中,可以了解到39.24%的市民是将锂电池随意扔掉,17.72%的人苦于没有废旧电池回收站而不知所措,30.38%的人将其放于一般的垃圾箱中,只有12.66%的人将废旧的电池放到了指定的废旧电池回收站。由此可见,废旧电池在回收的源头便呈现出极低的回收率,因此,更不用提更高的再利用率了。12废旧电池的危害目前中国废旧电池普遍采用的是与生活垃圾一起填埋、焚烧、堆肥等方法进行处理2。即使少数电池被回收,也很少能再进行加工利用。这不仅对资源造成了极大地浪费同时更大程度上破坏了环境,危害

8、了人类的健康。废旧锂电池内含有大量的重金属以及废酸、废碱等电解质溶液。长期裸露地表或埋于地下,电池外壳慢慢被腐蚀,电池内重金属逐渐渗透入土壤和水体,产生重金属污染,例如一粒纽扣电池就可以污染600立方米的水。被污染的水及土壤成分通过生物链等形式在人体内不断聚集,最终对人体造成极大的危害。一般电池中包含了汞、铅、镉等多种特殊物质。其中,每种物质对人体的伤害都是巨大的。尽管目前对电池的成分做了一定的要求比如要求电池少汞、 无汞等,但仍难以避免大量的金属物质对人类及大自然构成的极大威胁。13废旧锂电池回收再利用的价值131废旧锂电池回收再利用的价值废弃锂电池并非百害而无一利,其大多数零部件可以回收,

9、尤其是重金属的回收具有很高的社会效益与经济效益3。通常,废弃锂离子电池含钴、锂、镍的比例分别为5% 15%、2% 7%、0.5% 2%,还含有Cu 、Al 、Fe 等金属元素。对这些现有匮乏的重金属的回收再利用,不仅可以缓解钴、锂等资源短缺状况、保护生态环境,也可以更好地节约资源保护人类健康。132废旧锂电池回收再利用的方法现如今采用如图1的废旧锂电池处理工艺,可以实现材料的分离提取,对其进行再加工,也可实现对其废旧物的集中收集处理,避免污染扩散。通过此简单的再处理过程便可实现对资源的回收再利用,对废旧物的集中处理销毁 。图1废旧锂电池再处理流程图2废旧锂电池回收再利用的调查与建议21废旧锂电

10、池回收再利用的调查针对河南郑州、焦作等地区,开展了五百份关于废旧锂电池回收再利用的问卷调查。调查人群包含商人、学生、工人、农民等,涉及题目十二个,分别就对中国现如今废旧锂电池回收现状、废旧锂电池的处理由谁负责任、锂电池与其他一般电池的区别及其污染情况等问题进行了调查。调查结果如下:针对生活周围附近有无废旧电池回收站的调查情况如图2所示,由图2可以看出65.48%的人表示生活周围不存在废旧电池回收站,而仅15.19%的人认为周围存在废旧电池回收站(不排除部分市民将一般回收站误认为电池回收站,在调查过程中,绝大多数的调查对象表示,其随意丢弃废旧电池的主要原因是不知道废旧电池回收装置所在。生活中尽管

11、部分市民了解废旧锂电池的危害,但苦于没有回收单位与组织,也被迫将电池存放,对其无可奈何。图2生活区附近有无废旧电池回收站调查结果图对于中国目前的锂电池回收现状,了解到人们对回收再利用体系的满意程度。仅5.06%的人对此表示满意,如此低的满意度不能不引起我们的高度重视。无论是政府还是生产厂商等都未能很好地促进废旧锂电池的回收。关于由谁应该主导废旧电池的回收,人们对此有不同看法。其中政府与电池厂商分别是44.30%、37.97%的比例,此比例表明了人们对此问题的两大主流看法,可见,促进生产厂商与政府间的相互合作,普遍为人们所接受。同时相差无几的比例也反映了人们对此的困惑与迷茫。17.72%的人认为

12、民间机构更应该担负起废旧电池回收的重任,由此可见,良好的社会风气亦是人们认为影响回收效果的重要因素。22废旧锂电池回收再利用的建议通过调查的几个方面反映出了一系列的问题及人们对此的看法。从调查中不难看出,人们迫切地希望废旧锂电池能够得到很好地处理与再利用。为此社会、政府、企业应当一道共同构建废旧锂电池回收体系。221完善相关法律法规的保障制度加快中国相关法律的建设4。法律法规的健全是废旧电池回收处理系统的外部驱动力,只有充分发挥利益机制和法律规范两种驱动力的作用,回收处理产业才能真正运行起来并产生实效。加强废电池管理法规建设应设立管理机构进行专门管理,并根据中国废电池的生产、管理现状以及废电池

13、的发展趋势,制定合理的、符合中国实际情况的管理办法和具体、可操作的管理实施细则;对电池产品环保指标一定要进行严格把关,而且在政策、税收等方面应鼓励相关企业进行工艺改进和环保投资;同时要加强管理力度,建立健全废电池管理的运行机制;并应逐步建立起相应于管理体系各环节的管理法规执行及监管体系,以保证管理的有效、顺利进行。222制定规范、统一标准制定统一的使用及回收标准,加大回收单位与组织规范性的建设。类比中国对手机充电器的统一规定,逐步完善电池的使用规范,使用统一电池,以确保电池的使用安全5及回收便利。3废旧锂电池的回收系统目前中国还未形成完善的废旧电池的回收体系。回收率低的现状直接限制了处理规模的

14、扩大和处理技术的提高。面对如此现状,再加上手机等电子产品的迅速普及,电池使用量与日俱增,废旧电池特别是废旧锂电池的回收再利用面临着严峻挑战。锂离子电池大量应用在手机、笔记本电脑、电动工具等电子产品中,因此对锂电池的回收可以有别于一般电池的回收,同时伴随着锂电池的普及,对锂电池的回收亦可以很好地解决电池污染问题。锂电池在使用过程中具有显著的特性6:(1锂电池多为电子产品所使用,适用范围相对固定;(2锂电池使用效率高,使用周期长,且周期相对固定;(3锂电池成分相对环保,资源化程度高,可再用效率高;针对锂电池的特性,对于锂电池的回收,可提高其针对性,确定固定回收周期,致力于政府与电池厂商一道解决。以

15、便更好地实现锂电池的回收再利用乃至于普通废旧电池的回收与再利用。31提高针对性对销售电子产品的厂家进行管理,在销售端建立回收点,市民可以直接将使用后的电池交付销售商,以此建立和加大回收流动点的范围。回收电池仅局限于锂电池,其他电池应该做分类处理,分类回收。建立网上回收运营体系。运营体系应是网络实地相结合的模式,也即是能够实现网上交易订单,实体店实现实体交易的过程。同时,尽量减少不必要业务办理,减少销售端负担。32固定周期回收政府每年固定时间对生产电池的厂商及销售商进行检查考核,并于固定时间内对电池进行集中的补贴与处理。形成规律性、周期性工作,加大政府对电池销售管理的调控力度。对于回收站,规定每

16、周周末下午14:00 18:00为有偿回收时段,减少人力物力开支。对于网站上提交的回收信息,灵活处理,双方协商上门取货时间。取货时间局限在每月月末,且对电池数量有所要求。33政府主导、厂商配合模式明确政府及厂商的基本分工及其职责。厂商及销售商负责对电池的回收工作,政府配合厂商开展管理及处理工作。政府每年应该固定投资电池厂商加大对其回收再利用的力度;生产商及销售商也亦在回收过程中制定固定回收回报的经济措施,调动市民的积极性。同时,还应加大宣传与教育的力度,使人们认识到电池的危害性及锂电池回收再利用的可行性及效益性。形成结构式、相互促进的统一关系如图3所示 。图3政府、企业、个人回收关系图以政府调

17、控指导,企业实施践行,多举措并行的运行模式来达到锂电池在电池厂商及个人之间的良好循环。4加强锂电池使用周期与寿命41改善循环性目前的锂离子电池正极材料主要是LicoO2由于钴资源贫乏,价格非常昂贵,因此寻找价格低廉且性能优良的替代材料就成为目前非常活跃的研究热点7。其中具有与LicoO2相近可逆比容量、来源广泛、价廉、低毒、易回收的LiMn2O4被认为是最有竞争力的替代材料之一。但较差的循环性能限制了应用。为了改善循环性能,采用掺杂其它低价离子来提高Mn的平均化合价,从而抑制JahnTeller畸变,改善循环性能。在锂电池使用过程中,Mn溶解、JahnTeller畸变和电解液分解是导致锂离子电

18、池循环容量损失的主要原因。通过合成缺陷型掺杂型或包覆型LiMn2O4可有效抑制这些不利因素并改善循环性,其中对LiMn2O4进行掺杂改性并优化合成条件被认为是解决比容量低与循环性能下降的最有效手段。42锂电池使用保养可充电电池在存储过程中,除了保证正常的温度和湿度条件外,还必须对其进行定期充放电保养,以防止可充电电池容量损失,寿命降低,甚至漏液。锂电池充放电过程通常分为3个阶段如图4所示。第1阶段为小电流预充电,充电电流为I1当充电电压达到v1时,进入第2阶段,即以大电流I2恒流充电,直到电池电压达到v2,然后转入第3阶段,即恒压充电,此后随着时间的推移,充电电流逐渐减小。锂电池放电时锂离子不能全部移向正极,必须保留一部分锂离子在负极,以保证在下次充电时锂离子能够畅通地嵌入通道。否则,电池寿命就相应缩短。为了保证石墨层中放电后留有部分锂离子,就要严格限制放电终止最低电压。图4锂电池充电流程图结合锂电池的充放电特点及其自身所具有的特性,给出以下几点建议:(1避免过充、过放现象。过充和过放电会对锂电池、特别是液体锂离子电池造成巨大的伤害。因而充电最好按照标准时间和标准方法充电。放电避免完全放电,过放对锂电池的损伤是致命性的,直接影响锂电池的使用周期与寿命。(2保证充放电环