摘 要

新能源汽车是汽车行业发展的一个重要方向，而动力电池作为新能源汽车的动力提供和最重要的部分理所应当是行业发展的重中之重。动力电池的发展从铅酸电池到最近兴起的锂电池，而锂离子电池又可以分成三元锂和磷酸铁锂等种类。随着新能源汽车行业的发展，新能源汽车产量与使用量越来越多，同时由于动力电池在长时间使用和重复充放电之后可能会形成报废的问题。然而动力电池中含有许多重要的战略资源以及重金属，所以需要进行回收利用不仅仅是为了节约资源还是为了对环境保护作出一定贡献。

本文依据雷诺zoe使用的三元锂动力电池进行具体分析。首先介绍国内外动力电池发展现状、动力电池破碎方式的现状以及回收利用工艺的发展现状和趋势；再介绍动力电池的结构以及组分材料，通过对此型号电池的结构及组分的介绍加深对动力电池的理解；接下来通过对该动力电池的分析和已有破碎设备的借鉴，设计一款对动力电池的双轴剪切式破碎机。对动力电池回收工业的分析了解之后进行运用，针对该三元电池采用湿法回收进行具体工艺路线设计，是可以供实际生产过程借鉴与参考。

关键词：动力电池；新能源；破碎设备；回收利用

Abstract

New energy vehicles are an important direction for the development of the automotive industry, and the power supply and the most important part of the power battery as a new energy vehicle should be the top priority of the industry. The development of power batteries from lead-acid batteries to the recent rise of lithium batteries, and lithium-ion batteries can be divided into three types of lithium and lithium iron phosphate. With the development of the new energy automobile industry, the production and use of new energy vehicles are increasing, and at the same time, the problem of scrapping may be formed after the power battery is used for a long time and repeated charging and discharging. However, the power battery contains many important strategic resources as well as heavy metals, so recycling is needed not only to save resources but also to contribute to environmental protection.

This article is based on a specific analysis of the ternary lithium battery used by Renault Zoe. Firstly, the status quo of power battery development at home and abroad, the status quo of power battery breaking mode and the development status and trend of recycling process are introduced. The structure and component materials of power battery are introduced. The introduction of the structure and components of this type of battery is deepened. The understanding of the power battery; next through the analysis of the power battery and the reference of the existing crushing equipment, design a dual-axis shear crusher for the power battery. Finally, a lot of introductions are made to the recycling process. The specific process route design for the ternary battery using wet recovery is available for reference and reference in the actual production process.

Key Words: Power battery; new energy; crushing equipment; recycling

目录

目录 I

第1章 绪论 1

1.1课题研究的背景及意义 1

1.1.1动力电池 1

1.1.2动力电池的回收利用 2

1.1.3动力电池回收的意义 2

1.2国内外研究现状 3

1.2.1动力电池行业的发展现状与趋势 3

1.2.2动力电池破碎与回收的发展现状与趋势 6

1.3课题研究内容与目标 9

1.3.1课题研究内容 9

1.3.2课题研究目标 10

第2章 电池结构及组分材料 11

2.1电池结构 11

2.1.1电池模组的结构 11

2.1.2电池管理系统 12

2.1.3热管理系统 13

2.1.4电气及机械系统 13

2.2电池各组分材料 13

2.3雷诺ZOE电池的结构组分 14

2.3.1电池的结构 14

2.3.2电池组分 15

第3章 破碎设备结构设计 17

3.1破碎方式的选择 17

3.1.1颚式破碎机 17

3.1.2冲击式破碎机 17

3.1.3剪切式破碎机 18

3.1.4辊式破碎机 18

3.2破碎设备设计要求 18

3.2.1可破碎混杂的废旧电池 19

3.2.2破碎效率高 19

3.2.3破碎后物料大小满足要求 19

3.2.4解决缠轴问题 19

3.3破碎机结构及工作原理 20

3.3.1设计原理 20

3.3.2结构特点 20

3.3.3工作过程 21

3.4主要技术参数选择 22

3.4.1转子转速 22

3.4.2生产率 22

3.4.3所需最大剪切力 23

3.4.4所需功率 23

3.4.5油缸活塞直径计算 23

3.6影响因素 24

3.6.1压强对单位功耗和产品粒径分布的影响 24

3.6.2转速对单位功耗和产品粒径分布的影响 25

3.6.3负荷对破碎机工作状况的影响 25

第4章 回收工艺设计 26

4.1锂电池回收的主要工艺方法 26

4.1.1物理化学法 26

4.1.2火法冶炼 26

4.1.3湿法冶炼 26

4.1.4新型生物冶金技术 27

4.1.5热处理法 27

4.1.6溶解法 27

4.1.7电沉积法 27

4.2电池预处理 28

4.2.1深度放电 28

4.2.2破碎分选 28

4.2.3电极材料分离 29

4.3电池二次处理 29

4.3.1浸出工艺 29

4.3.2金属离子分离提取工艺 30

4.4对雷诺ZOE电池的回收工艺设计 32

第5章 总结与展望 34

5.1总结 34

5.2展望 34

参考文献 35

致谢 36

第1章 绪论

1.1课题研究的背景及意义

1.1.1动力电池

目前动力电池一般式锂电池，因为这是一种与传统电池相比具有更高的电压、能量储存能力和更长的使用寿命、污染较少的电池。因此，它具有较高的应用价值锂电池的使用更是提高了各种设备的性能。对于锂离子电池来说，正极是什么材料很大程度下能够决定电池性能的好坏，对电池的安全性、贮存能量多少和功率来说材料的选择都有很大影响。目前来说，锂离子电池的阴极材料主要是有磷酸铁锂、镍钴锰酸锂、钴酸锂等。其中钴酸锂具有能量储存能量强、不易与其他物质反应、充放电能量强、加工过程方便等优点，在实际生产中能够发挥更好的作用。但另一方面，钴酸锂的安全性较差，价钱相对而言昂贵不是那么亲民，能够使用该正极材料且获得利益的动力电池较少。普遍来说，以钴酸锂为正极材料的电池储存能量的能力较弱，因此更常用于一些小装置中，可以发挥一定的作用。镍钴锰酸锂则是储存能量的能量较强而且是具有多种材料的优势，在实践中，其反比容量通常可达165Ah/g和其他的阴极材料相比在很多方面起到的作用都要更好。具有巨大的发展潜力。在实践中，镍钴锰酸锂的安全性较高，并且这两者比较之下，镍钴锰酸锂的价钱相对亲民不是那么昂贵，充放电次数较多能够提高循环次数，对有机物成分的电解质来说可以与其相容。因此，它在一些对于容量要求不高，但对质量要求较高的动力领域是有着很光明的发展前景的。磷酸铁锂不容易产生强烈反应，循环功能强，耐高温^[1]-[5]。因此，它也可以在现实生活中发挥更好的作用。从物质本身能量的角度来说，磷酸铁锂含有的能量较低，摩尔密度很低，而而且价格比较昂贵，这是因为它独特的加工方式所影响的。由于各种阴极材料在各个方面都有各自的优势与劣势，因此在实际生产生活的选择与应用过程中中，我们应该根据电池需要面对的实际的情况来选择恰当的正极材料来制造动力电池，才能够更好地保证锂离子动力电池的性能不被当前市场以及行业所淘汰，能够使动力电池行业不休的提高和发展^[6]-[8]。

在目前的市场上来说所使用的负极材料主要是有两种，一是碳基材料，二则是非碳基材料。而且含碳材料的种类非常多，有复合碳、天然石墨等等，最常作为负极材料来使用的是石墨。在实际的生产中，获得碳基材料的方法非常多而且成本都比较低廉，因此在锂离子动力电池的负极材料中碳基材料得到了非常普遍的使用。然而，在实际情况中，碳材料存在一些缺点。当它被用于第一个周期时，它将失去更多的不可逆能力。此外，在高温下，碳材料可以很容易地与电解质发生反应。可能发生爆炸事故。在真正的生产生活中，同时在现在的市场条件下锂离子动力电池的负极材料选择的第一位仍然是石墨材料^[9]-[11]，因为使用石墨作为负极材料能够产生很好的效果而且制备成本低廉。

1.1.2动力电池的回收利用

中国的钴、铜、镍资源极度短缺, 铜矿的工业品位只有0.5%而更加稀缺的镍矿的工业品位更是仅仅只有0.3%, 而金属钴一般与镍、铜共生, 不能形成单独矿床, 而废旧的动力电池中含有钴15%、铜14%和铝4.7%等,废旧电池中重金属和稀缺资源的含量远高于矿山。而且动力电池服役之后，由于多次充放电以及环境等原因导致电池相比开始服役动力不足、续航里程不足等问题，所以在服役之后动力电池需要进行退役报废。随着新能源汽车行业的发展，动力电池工作里程的不断增加以及不断地充放电过程。报废动力电池数量一年比一年增加，新能源汽车中动力电池报废回收的规模越来越庞大。而且报废动力电池还含有大量的重金属元素和稀缺资源。其中的钴、镍、锰、锂不仅仅是重要的战略资源需要进行回收，并且一旦这些金属回收不恰当甚至发生泄漏的话将会造成重金属污染，而且具有强毒性的电解质对环境有很大的破坏力，更加严重的话更是会危害人体健康甚至危及生命^[12]-[13]。同时，退役报废的动力电池，仍然具有非常巨大的一部分的能量密度可以进行利用。综合上面所述回收利用动力电池，是一项具备资源效益和环境效益的双赢的产业。