最近几年，因受环保减排压力影响，我国新能源行业取得突破性发展。未来很长时期内，新能源行业要维持良好发展势头，需积极寻求新发展点，比如加强对新能源报废电池智能化成套装备自动化设备技术的研发利用，以促进自身发展。目前，电动汽车关键部件电池逐渐达到使用寿命，动力电池报废量越来越大。预计 2020 年，我国车用动力电池需求量将达到，报废量达 32GWh，报废电池折算后质量约 50 万 t；到 2030 年，车用动力电池报废量将达到，报废动力电池质量约 116 万 t。目前废旧动力锂离子电池回收方式主要有 2 种：一是梯次利用，针对容量下降到原来的 70% - 80%、无法在电动汽车上继续使用的电池，进行梯次利用，使其可在其他领域作为电源继续使用一定时间；二是拆解回收，主要针对容量下降到 50%以下、无法继续使用的电池，进行拆解和资源化回收利用。由于锂电池使用有一定生命周期，使用一定时间后需报废，即使采取梯次利用，最终也得报废。锂电池由壳体、正极（铝基片）、负极（石墨与铜基片）、电解液、隔膜等组成。若不进行拆解及分选，就无法回收废旧电池中的有价材料和成分。锂离子电池正极活性物质多为嵌锂金属氧化物，如 LiCoO、LiNiO、LiVO 等；负极活性物质多为石墨、钛酸锂等；电解液溶质多为 LiPF（目前商用的），溶剂一般为碳酸甲酯、碳酸乙酯和碳酸甲乙酯等。实现对有经济价值的材料高效回收与对无经济价值组分的无污化处理是笔者研究重点。为减少环境污染，提高再生资源综合利用水平，笔者对退役动力电池智能拆解、破碎与物料归集技术进行研究，设计了相关成套装备，构建了一种高回收率、低能耗、无污染的退役动力电池综合回收新工艺。

对于不再具有使用价值的废旧动力电池，则以循环再造的形式进行再制造。

然后再对电极材料进行碱浸出、酸浸出以及除杂后萃取等步骤，以此来实现有价金属的富集。电池的拆解、破碎、分选在回收过程中是提高资源再生利用率的前提。目前我国工业上针对该阶段的技术主要是干法回收技术。传统的干法回收技术通过机械分选法，利用电池不同组分在密度、磁性等物理性质上的差异，采取破碎、筛分等手段将电池材料粗筛分类，以实现不同有用金属初步分离回收的目的。因为锂离子电池结构特殊，活性材料和集流体粘合紧密，不易解体和破碎，所以在筛分和磁选时会存在机械夹带损失，很难实现金属的完全分离回收。同时，传统的干法回收技术也无法保证方形动力电池的处理。因此，需要对现有的技术工艺进行升级改造。通过对我国现有技术的总结以及对国外技术的分析研究，研制出一条适合中国工业化的退役动力电池智能拆解、破碎与物料归集技术，能够实现智能拆解、高效破碎和有效分选，具体工艺流程图如图 1 所示。

图 1 展示了工业化的退役动力电池智能拆解的流程、破碎的流程以及物料归集的流程技术图

退役后的动力电池首先要进行余能检测。如果电池性能较好，就先进行梯级利用，主要是用于储能。要是电池性能较差，就先进行智能拆解，把电池组拆解成电池单体，然后对拆解得到的塑料外壳和金属外壳进行分类回收归集。因为拆解后得到的单体电池还带有少量电量，为了确保后续工段的安全性，需要对电池进行放电处理。在破碎分选之前，放电后的单体电池要先把表面的水分除去，之后才能进入原料仓。废电池原料从料仓开始，通过电磁振动给料机，被送到二级破碎系统。经破碎后的物料进入多效分选工段，在这里可以分选出钢壳（铁）、塑料和隔膜。剩余的物料被送入炭化炉，在旋转的炭化炉中一边被加热，一边被往前送出。由于炉子安装有一定倾斜角度，所以炉子每转 1 圈，物料在旋转到上方时就会落下，而落点与起点之间的距离就是物料每次随炉子旋转半圈后前进的距离。物料在炉中停留约 1 小时后出炉，经螺旋输送机，被送入冷却料仓，进行储存和降温。冷却仓以水为介质进行间接冷却，并且配有冷却水塔。冷却仓中的物料被送入下一级分选（主要为筛分）。筛分的主要设备是圆振动筛，筛下物黑粉随负压气流上升，进入旋风除尘器，接着经过进一步分离后，从上部被吸进布袋除尘器，然后从除尘器下方被排出，进入负吸管道到黑粉料罐储存。筛上物被送进三级破碎系统废铝合金回收处理及再利用成套技术 价值和影响，进行第 3 次破碎。物料破碎后被向上输送至分离器。物料体积突然膨胀，重料铜片和铝片落下，进入下一级分选。旋风除尘器中的极小铜片和铝片落下，进入圆振动筛。圆振动筛对铜、铝片进行进一步振动，继续过筛铜、铝片可能带有的黑粉。筛下的黑粉经负吸管道，进到黑粉料罐中储存。筛上物铜、铝片进入跳汰机，经水力分选。铜片装袋入库，铝片装袋入库；放电工段产生的废气经收集后，通过废气管道进入二次燃烧室进行高温燃烧，炭化工段产生的废气也经收集后通过废气管道进入二次燃烧室进行高温燃烧；高温烟气通过耐高温管道进入烟气换热器（配有冷却水塔）；高温烟气经换热器降温后进入布袋除尘器收集粉尘，之后进入碱式喷淋塔与活性炭吸附塔除去烟中的酸性与有机成分，最后通过烟囱排放。

2、智能拆解、破碎与物料归集技术及其成套装备（见图 2）

首先对退役的方形动力电池进行识别分选。依据电池的尺寸和体积来进行识别挑选。接着将挑选出来的电池进行智能化转载输送，把它们转载到下一工段。其次，运用电池包（模组）的智能化拆解系统，以实现拆解过程的智能化与高效化；再次，让拆解后得到的电池单体经过自动化的破碎系统，确保物料的一致性，达成电池单体安全且高效的破碎；接着，使破碎后的物料进入清洁化的热解系统；在热解系统里，不但能够提高正、负极材料的回收率，还能够实现碎料中有机物的无污染处理；最后进行智能化的物料归集，把单体破碎后物料中的钢壳、塑料、正负极粉以及铜铝粒进行归集。因此，主要研究任务如下所示：

智能化的识别与分选：利用高精度的测量光幕来在线检测退役动力电池的外形尺寸以及体积。具体而言，就是对退役动力电池的长、宽、高以及体积等进行测量，其具体方式如下：

当退役方形电池处于匀速输送带上时，需要 2 套测量光幕。这 2 套测量光幕用于测量退役方形电池的宽度和高度。同时，依据输送带的传送速度以及 2 套测量光幕之间的关系，能够精确地计算出方形电池的体积。

当退役方形电池处于非匀速输送带上时，需要 3 套测量光幕。这些测量光幕用于测量退役方形动力电池的长度、宽度和高度。接着，通过这些测量数据准确计算出方形动力电池的体积。

当退役方形电池处于静止平台上时，需要 3 套测量光幕来测量其长度、宽度和高度，以算出退役方形动力电池的体积；在检测出电池的外形尺寸之后，再借助计算机编程去控制机器人或者机械手，对不同尺寸的退役电池进行分类，这样就实现了退役方形动力电池的识别与分选。

退役方形动力电池的转载和输送装置具有智能化特点，其主要由用于转载的机械手以及密封链带输送机构成。

转载机械手具备自由旋转的能力，也能够伸缩以及移动。依据识别挑选出的不同型号的电池，借助编程来控制机械手进行抓取动作，把抓取到的物料放置到输送带上。

设计上的电池转载机械手控制系统带有机器视觉目标精准检测功能，该控制系统包括工控机和机械手控制系统。

视频目标监测系统包含可见光探测器，它能实时采集物品抓取区的图像信息；还包含视频信号放大器；包含高频滤波器；包含 A/D 转换器；包含 DSP 视频信号处理控制器。

DSP 视频信号处理控制器与工控机相连接，连接方式是通过 CAN 接口卡以及 CAN 总线。

在电池转载机械手中加入物品目标检测功能后，转载机械手能对不同形状、不同大小的物品有较强适应性。它不需要因物品形状和大小改变而重新进行示教工作，这样减小了机器人操作的复杂程度。同时，因为能精确获得物品的尺寸大小，所以也具有较高的抓取精度。

现今废旧动力电池模组的拆解大多是全人工拆解。这种方式危险性较大，噪声也大，流程较长，效率不高，还会对工人身体造成一定损伤。

采用智能化、自动化的废动力电池包（模组）拆解系统，能够提升电池模组拆解的工作效率，还能大幅度降低劳动强度。

智能化的拆解系统包含以下几个部分：送料设备；切割定位设备；自动切割设备；出料滚道；拆解工作台。

沿着废旧动力电池模组的行进方向，首先设置送料设备。接着设置切割定位设备。然后设置出料滚道。最后设置拆解工作台。自动切割设备中的切割装置处于切割定位设备的正上方。

送料设备是独立的模块，切割定位设备是独立的模块，自动切割设备是独立的模块，出料滚道是独立的模块，拆解工作台是独立的模块。这些模块拼合成连续的生产线，便于安装和维护，并且具有较高的自动化程度，能够自动完成定位和切割加工。

送料设备中运用了可编程的机器人或者机械手。这些机器人或机械手能够对电池包（模组）进行成像。同时，它们还可以依据废旧动力电池包（模组）的尺寸废铝合金回收处理及再利用成套技术 价值和影响，对切割装置进行调整。通过这些操作，能够实现切割的准确定位。

6）送料机器人或机械手可实现电池包（模组）的翻转、旋转。

切割装置包含一个通过滚珠丝杠实现上下运动的机架，还有固定在该机架上的固定锯片，以及平行设置在固定锯片右侧位置且左右可调节的活动锯片。这种结构的切割装置能依据废旧动力电池模组的形状与尺寸，对固定锯片和活动锯片之间的间距进行调节，从而切割废旧动力电池模组的左右两端。接着，通过机械手抓取电池包（模组），并重新调整其位置，再次进行切割，以此实现电池包（模组）4 个侧面外壳的准确切割。之后，再借助机器人机械手取出电池单体。

出料滚道包含 2 条平行设置且沿左右方向延伸的导向槽。多条滚轴装在导向槽之间。这种结构的导向槽能够容纳退役动力电池包（模组）的支撑脚，并且可以避免其发生偏移。滚轴的作用在于便于将退役动力电池包（模组）推出，从而节省人力。

拆解工作台的台面高度与导向槽的底部高度相同，这样就能确保退役动力电池包（模组）可以顺利地从出料滚道进入到拆解工作台。

这种智能化拆解系统具有以下优点：其一，运用了可编程的机器人或机械手；其二，配备了自动化的定位设备和切割设备；其三，能够快速且高效地拆解退役动力电池包（模组）；其四，提升了拆解的安全性，降低了工人的劳动强度；其五，便于对拆解下来的外壳进行集中处理。

自动化的破碎系统：此工段处理的废锂离子电池是模组拆解后的单体电池；在单体电池进入破碎之前，需要对其进行放电处理；对角尺寸在 25 厘米以下的电池都在可处理范围之内，因此兼容性较高。

自动化破碎系统包含多级破碎。其中有一级破碎，是高速旋转齿辊式破碎机；还有二级破碎，也是高速旋转齿辊式破碎机；另外还有三级破碎，为高速旋转刀片式破碎机。

一级高速旋转齿辊式破碎机，也叫做粗破机，能够快速切断单体电池。切断后的物料尺寸在 5 到 10 厘米之间。整套装置处于密封罩内，这样就有效地避免了在破碎过程中电解液从其中溢出并挥发到空气中。

二级高速旋转齿辊式破碎机把一级破碎后的物料利用动刀和定刀的剪切作用，让电池料迅速被打开并破碎，一直到碎料的粒径小于筛网孔径时就会漏出；经过破碎后，电池碎的片大小在 10 到 17 毫米之间。

三级高速旋转刀片式破碎机，它也可称作摩擦打散工段。此破碎机被设置在整体系统的后段，主要的作用是处理热解子系统出来的物料。它会对热解后的碎料进行摩擦打散操作，把碎料破碎成粒径在 2 至 5 毫米的更小颗粒。

锂离子电池破碎后碎料中存在的有机物主要有电解液、粘结剂以及隔膜等无回收价值的组分。为提高经济价值较高的电池材料的回收率，需对破碎后物料中的有机物进行低温热解处理，同时要保证低温热解过程高效、安全且环保。清洁化的热解系统主要包含热解系统以及对烟气进行清洁化处理的系统。

热解系统的主体设备是低温热解炉，并且配备了天然气燃烧系统。破碎后的物料通过密封式输送器，被传送到低温热解炉内进行处理。低温热解炉的前端设置有燃烧室，此燃烧室主要是用来燃烧天然气的。

清洁化的烟气处理系统主要包含以下部分：二次燃烧室、烟气冷却塔、布袋除尘器、碱式喷淋塔以及活性炭吸附塔。低温热解炉产生的烟气首先会进入二次燃烧室，在这里进行再次的高温且充分的燃烧。接着，产生的高温烟气会进入烟气冷却塔，经过降温处理后进入布袋除尘器，在除尘之后依次进入喷淋塔和活性炭吸附塔，最后通过烟囱排出。

针对破碎后的钢壳和塑料，需要进行物料归集；针对热解后的正负极材料、铜粒、铝粒，也需要进行物料归集。

智能化的物料归集能够实现对电池中各组分的高效回收以及分选，还能实现正极材料的高回收率。

智能化的物料归集主要是用于对电池破碎后碎料里各组分的分选工作，其中包含了多级分选这一环节。具体来说，碎料中的黑粉会通过多级振荡筛来进行分选。

②碎料中的隔膜、塑料，以及钢壳通过多效分选机进行分选；

③碎料中的铜、铝通过铜、铝分选机进行分选，得到铜、铝金属。

每台设备对碎料中的物料分选具有专一性，所以在再分选过程中其他成分夹杂较少，这样就能提高物料的分选效率。在物料归集时，通过编程控制，能够实现物料的精确分选和归集。

最终会达成：正负极粉的总回收率达到或超过 98%，钢壳的回收率达到或超过 99%，铜的回收率达到或超过 95%，铝的回收率达到或超过 95%，隔膜的回收率达到或超过 80%。

图2 工业化的退役动力电池智能拆解、破碎与物料归集系统

为实现物料的高效分选与回收，笔者设计了物料的智能化归集系统，针对物料中不同的组分研制出相应的专一性成套装备，通过控制系统分选出相应的物料成分。