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简介：本研究针对目前我国废旧锂电池循环处理的现状，综述了国内外锂电池循环处理技术及体系，提出一种基于区块链架构的废旧锂电池循环处理技术并完成了初步的原型机设计和测试研究探索。
关键字：锂电池；循环处理；区块链
从20世纪50年代开始，锂电池逐渐从研发实现了大规模的应用。2015年中国锂电池总产量47.13Gwh，其中，动力电池产量16.9Gwh，占比36.07%；消费锂电池产量23.69Gwh，占比50.26%；储能锂电池产量1.73Gwh，占比3.67%。
根据日本权威机构野村综研测算，到2020年动力电池的需求量将达到125Gwh，报废量将达32.2Gwh，约50万吨；到2023年，报废量将达到101Gwh，约116万吨。
新能源汽车行业目前和未来3~5年仍将处于高速发展的阶段，政策转型和产业结构调整都是使得产业发展更加健康完善的必经之路。随着电动汽车技术的不断升级和产业集中度的不断提高，未来行业仍将经历较快发展。
动力电池的需求量和报废量不仅与新能源车新增产量密切相关，还与不同车型的占比、电池技术路线的转移趋势、不同动力电池的使用寿命及不同电动车型的报废年限等有关。根据权威机构的测算，按商用车(按3年电池寿命假设)和乘用车(5年)所使用的动力锂电池报废量，将在2020年分别达到27Gwh和4.2Gwh，在2023年分别达到84Gwh和17.5Gwh
根据权威机构测算，从废旧动力锂电池中回收钴、镍、锰、锂及铁和铝等金属所创造的市场规模将会在2018年开始爆发，达到52亿元，2020年达到136亿元，2023年将超过300亿元。
规模庞大的动力锂电市场伴生的将是锂电池回收和下游梯次利用的行业机遇，发展锂电池回收和梯次利用在避免资源浪费和环境污染的同时也将产生可观的经济效益和投资机会。
然而，没有资质的非诚信的小作坊式回收，以及各种简单粗暴的处理方式，如焚烧、酸淋、填埋等对环境和人类造成了不可挽回的伤害[2]。政府补贴的失效现象严重，锂电池回收社会体系管理缺位造成了回收环节诸多问题[3]
目前针对大多数电子垃圾的回收多是回收其中的贵金属、铁、铝和一些较容易回收的塑料，对结构组成复杂的部件则弃之不理[4]。锂电池结构复杂，为了保证电池的安全性、高效性，锂电池封装紧密、结构紧凑，这导致锂电池的拆解回收就变得很困难，也增加了锂电池的回收成本[3]
而事实上，我国动力锂电池回收社会管理体系的缺位问题，本质上是社会诚信缺失，而区块链技术的出现刚好从技术层面提供了一个相对完善的社会诚信记录体系。
另一方面，针对我国目前动力锂电池回收特点，本项目组研发出一套模组化的锂电池处理装备。
因此，本文主要针对我国动力锂离子电池回收的存在的问题，希望基于区块链诚信记录体系将动力锂电池回收装置模组化处理技术在动力锂电池回收领域推广，以提升我国对动力锂电池回收以及资源化的技术和管理水平。
一、基于区块链的锂电池循环体系设计
我国现有的动力锂离子电池回收，主要是采用逆物流的方式进行，而本项目采用区块链架构将锂电池应用的各个环节利益相关者连接成一条公有链将锂电池生产，使用，回收，补贴以及监管信息放在区块链的各个节点上。
并且在锂电池回收企业内应用自主研发的水蒸气干蒸馏法将锂电池中胶质成分在350 C和980C两次干馏成活性炭粉末以及处理尾气为CO2 以及H20， 并用湿法将Co—Li 合金分离转让给锂电池生产企业急需进行锂电池的循环使用，而政府的补贴也要根据循环链条中回收的锂电池补贴给锂电池回收企业和锂电池批量使用企业。
由于区块链天然的去中心化和信任化，存储与区块链上的信息可以得到很高的置信度，可以大大杜绝认为谎报信息，骗取政府环保补贴等行为的事情发生。
二、废旧锂离子电池的回收处理技术研究
目前对于废旧锂离子电池的回收利用研究主要集中于对钴酸锂电池中钴的回收利用方法。在对废锂离子电池进行了放电、拆解等预处理之后，根据回收过程中所采用的主要技术，可以将废锂电池的资源化处理过程分为火法、湿法和生物法这三大类。
2.1火法
火法主要是通过高温焚烧分解去除起黏结作用的有机物，以实现锂电池组成材料间的分离，同时可使电池中的金属及其化合物氧化、还原并分解，在其以蒸气形式挥发后，用冷凝等方法将其收集[3]。日本的索尼/住友公司研究表明，于1000℃以下对未拆解的废锂电池进行焚烧，可有效去除其所含的电解液及隔膜等有机物质而实现电池的破解，焚烧后的残余物质包括Fe、Cu、Al等，可以通过筛分、磁选使其相互分离[4]。
2.2湿法
湿法是先将锂电池分类，然后用适当的溶剂进行溶解分离、萃取，获得相应的金属及金属化合物材料[5]。南俊民[6]等人先用碱溶液浸取除铝，并用硫酸和过氧化氢混合体系溶解锂离子电池的电极材料，然后分别使用萃取剂AcorgaM5640和Cyanex272萃取铜和钴，铜的回收率可达98％，钴的回收率可达97％，而剩余的锂可用碳酸钠将其以碳酸锂的形式沉淀出来。这些材料可作为制备锂离子电池正极钴酸锂电极材料的前驱体。该工艺不需将正、负极分开处理，所使用的萃取剂分离效果良好，洗脱后又可重复使用；同时，回收物质可用于制备电极材料，增加了回收的经济效益。吴芳[7]的方法与之相似。采用碱溶解电池材料，预先除去90%的铝。然后使用H2SO4+H2O2体系酸浸滤渣，酸浸后的滤液中含有Fe2+、Ca2+、Mn2+等杂质，使用P2O4（磷酸二辛酯）萃取得到钴和锂的混合液，然后用P5O7（有机磷酸萃取剂）萃取分离钴、锂，经反萃回收得到硫酸钴，萃余液沉积回收碳酸锂，从而从废旧锂离子二次电池中回收钴和锂。得到的碳酸锂达到了零级产品要求，一次沉锂率为76.5%。
2.3生物法
生物法利用具有特殊选择性的微生物菌类的代谢过程来实现对钴、锂等元素的浸出。DebarajMishra等人[8]使用一种名为Acidithiobacillusferrooxidans的嗜酸菌，它能以硫元素和亚铁离子为能量源，代谢产生硫酸和高铁离子等产物，从而有助于废锂离子电池中金属元素的溶解。从前述的废锂离子电池资源化方法来看，采用火法对设备、能耗的要求较高。湿法工艺的除铝、除铜成本较高，并且仅仅是将电极材料中的某一种金属元素进行分离提纯变成基本化工原料，有较大的局限性。生物浸出技术虽具有成本低、污染小等优点，但是目前仍处于研究阶段。随着电池正极材料的多元化发展，单纯针对钴酸锂电池中钴的回收方法已经不适用，锂离子电池的回收也不是仅仅局限于资源化利用，还应该包含无害化处置。
2.4 本项目提出的锂电池处理技术
本项目基于前人对锂电池处理技术的理解和应用，采用水蒸气连段干馏的设计，首先在350C将动力锂电池投入本项目设计的干馏炉中并冲入高纯N2，在催化剂的作用下，保温50分钟，然后冲入3个大气压的高纯N2将产生的炉内废气，经过瓣膜进入收集反应炉进行二次升温，升温速度为40C/分钟，直到980C，将废气保压保温30分钟。 装置设计如下：
本装置每小时处理锂电池量大约5吨，可以相对高效的将动力锂电池拆解成铜箔，铝箔和钴锂合金粉末，整个电池完全被资源化处理，并且没有废气产生，废气的热量被有效地进行内部循环供能。
三、本体系的优势及未来对锂电池的循环管理建议
3.1制定和实施动力电池回收奖惩措施并根据区块链管理体系进行环保补贴
《电动汽车动力蓄电池回收利用技术政策（２０１５年版）》明确了电池回收责任主体和追责方式，但是对新能源汽车动力电池回收，目前尚未有明确的赏罚机制，企业也没有将动力电池回收看成是有利可图的事情。目前，亟需制定动力电池回收再利用激励实施细则，建立明确的赏罚机制。比如对未按照回收政策履行责任义务的企业进行必要的惩罚，包括行政处罚和经济处罚，甚至与车辆公告和电池目录挂钩，将主要处理信息形成区块链管理节点上传区块链动力电池循环管理体系；可以对电池回收企业和电池再利用企业按照电池套数、容量等方式进行补贴、税收优惠，而补贴的标准根据区块链动力电池循环管理体系可以得到相对精准的数量保证回收再利用企业的经济性。对消费者可以采用押金和奖励并行的制度，消费者主动上交废旧电池时，退回押金并增加额外补偿，培养消费者动力电池回收的意识。消费者也可以通过本区块链循环管理系统监督回收的废电池在逆物流过程中的循环信息。
3.2加大回收再利用关键技术研发和市场化推广
考虑本项目中的设备产能相对较小，因此未来需要加大关键技术进行攻关，提高其技术成熟度和生产过程的安全性，使动力电池回收的材料和再利用电池出厂具有经济可行性和安全性，最后，需要加强对本项目涉及的体系进行体系推广，大型量产型装备的研发等。。
3.3鼓励商业模式创新试点
在开展技术经济分析和评价的基础上开展创新商业模式试点，积累经验之后，对具有推广价值的循环经济发展模式进行有计划复制，并将信息公布与整体的区块链公有链条上，避免信息不对称情况下的一哄而上。落实动力电池回收再利用体系建设，并利用区块链监管补贴机制和优惠政策提高企业和消费者的积极性，但要避免一些投机企业为了补贴跟风进入这个行业，形成公平和良性的竞争机制，以有利于产业健康发展。
结论
废旧锂离子电池回收处理所产生的重要环境负荷主要为富营养化潜力，对全球变暖潜力、酸化潜力、光化学氧化潜力、臭氧消耗潜力、人体毒性潜力、土壤毒性潜力、淡水水生生态毒性潜力等环境影响麵产生正面效益。废旧镍氢电池回收处理所产生的重要环境负荷主要为酸化潜力和富营养化潜力；对全球变暖潜力、臭氧消耗潜力、光学氧化潜力、人体毒性潜力、土壤毒性潜力、淡水生态毒性潜力等环境影响产生正面效益，先进的区块链架构的应用，有助于解决管理缺位，补贴冒领的问题，理论上可以解决链条上各节点对此循环经济的有效贡献，信息公开透明，安全不可篡改，在公众的信任建立上将产生深远的正面影响，也为未来废弃物资源化的领域提供一种解决思路。
参考文献：
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论文作者:张瑞,郑国义,郑杰思
论文发表刊物:《防护工程》2017年第14期
论文发表时间:2017/11/1
标签：锂电池论文; 区块论文; 潜力论文; 电池论文; 动力论文; 锂离子电池论文; 动力电池论文; 《防护工程》2017年第14期论文;