废旧动力电池回收的机械拆解系统

1、废旧动力电池回收的机械拆解系统欣月合肥工业大学机械工程学院摘要：针对新能源动力汽车锂离子电池传统回收方法效率低，污染较大，难以实现流 水作业等局限性，提出一种以机械切割为主要拆解办法的回收方法。该方案采用 rfid射频识别技术对电池进行数据分析，并建立数据库，对待回收锂离子电池 进行分类，然后利用夹持机构固定同类多块电池，使用切割机构同时处理多块 电池，完善了电池拆解冋收工艺，使其更加规范化、专业化。同吋系统具有运动 稳定且精准等优点，可用于企业大规模回收拆解锂离子电池。关键词：机械拆解;电池切割机构;锂离子电池;作者简介：朱华炳（1963）,男，教授，博士生导师，主要研究方向为制造系 统工程

2、理论及应用技术；作者简介：卫道柱（1970）,男，副教授，硕士生导师，主要研究方向为计算 机集成制造；作者简介：葛晓倩（1996）,女，木科生，主要研究方向为机械电子工程。收稿日期:2017-03-16基金：合肥工业大学2016年大学生创新性实验计划项目（2016cxcy042）mechanical dismantling system for recycling waste power ba/tteryzhu huabing wei daozhu ge xiaoqian zhan zhiyuanli xiguang tang wencheng wang xinyuecollege of me

3、chanical engineering, hefeiuniversity of technology;abstract：the traditional recovery method of lithium-ion battery for new energy-powered vehicles is of low efficiency and high pollution, and it is difficult to realize flow process. a recovery method with mechanical cutting is proposed.the scheme u

4、ses rftd radio frequency identification technology to carry on the data analysis to the battery, establishes database and classifies the recycling lithium ion battery. then the clamping mechanism is used to fix the same kind of multi-piece battery.the cutting mechanism is used to simultaneously deal

5、 with the multi-piece battery. the scheme makes battery dismantling recovery process more standordized emd professional. the system has the advantages of stable and accurate movement, can be used for large-scale recycling of lithium-ion battery.keyword：mecheinical dismantling; beittery cutting mecha

6、nism; lithium ion battery;received： 2017-03-160引言汽车产业是国民经济的重要支柱产业，解决电动汽车高价格的核心便是降低动 力锂电池一次采购成本，故降低电池成本，一直都是产业内重要的解决方向 111。除了电池体系改善和使用寿命提升带来成本降低外，当前主要的降成本方 案是规模化和回收资源化，可延长电池寿命，提高其利用率及l新能源汽车动力锂电池通过梯级回收利用与回收再利用可实现较高的经济价值 m 其主要由外壳、内芯材料、电解液以及辅助元件构成，其中外壳可通过与 内芯材料的无损拆解实现零部件重用或再制造，石墨负极材料在使用过程中基 本无损耗，通过与基底的无

7、损分离可以二次利用加工石墨、粉碎作增碳剂及导电 材料等进行凹。动力锂电池的回收工艺大致包括进行放电、拆解、粉碎、分选 等预处理，然后是分离拆解后的塑料、铁质外壳和电极材料，再对电极材料进行 碱浸出、酸浸出、除杂后进行萃取;或者直接高温焚烧拆解碎片回收金属以及进 一步采用湿法冋收焚烧残渣臣1。本文提出一种动力电池冋收的机械拆解系统方 案，主要介绍装夹机构，切割机构的组成及装夹与切割的工作原理。1动力电池回收方法分析电池回收根据工艺的原理可以分成物理回收和化学回收两大类，化学回收法中， 高温冶金法工艺相对简单，适合大规模处理种类繁杂的废旧锂电池。但是，电池 电解质和电极中其它成分的燃烧容易引起大气

8、污染，焚烧尾气处理的压力较大。 湿法冶金处理设备投资成本低，适合中小规模、化学组成相对单一的废【口锂电池 的回收6。谡电辿碎片悬温冶炼 物理拆解分离回收动力电池是指将电池组分经破碎、过筛、磁选分离、精细粉碎 和分类后得到高含量的物质然后再进行下一步回收的过程。虽然物理拆解回收的 处理效率较低，但由于不用消耗额外的化学品，因此工艺非常环保in。损耗a粗辞片制l屮coni损耗co-ni*f 台全损耗ec/sc分离au-cu组分以上方法各有利弊，冋收对象也不尽相同。因此，如果能采用联合回收工艺的方 法，发挥各种基本工艺的优点，尽可能回收可再生资源和能量，则可提高回收 的经济效益。是联合回收工艺法的过

9、程如图1固所示。物理拆解方法无论是单独应用还是在联合工艺法中都占有重要地位，其环保的 工艺符合可持续发展观，故该系统的目的便是改进现有物理拆解方法，使其真 正成为安全、环保、高效的冋收方法。物理拆解过程为了保证其安全性需要在低 温下进行，而且大多是以手工拆解，未达到机械化、智能化。在国内，采用现有 的废旧机电产品拆解技术及装备不能适应动力锂电池的拆解工艺要求，自动化 程度和效率低，经济效益差，同时忽略了拆解过程中的环保问题，拆解能耗高、 污染排放严重回。以上问题使动力电池的环保高效机械拆解陷入困境，该机械 拆解系统便致力于解决这些问题。2基于rfid新能源汽车动力电池回收机制研究rfid （r

10、adio frequency identification）,无线射频识别技术是一种通信技术, 可通过无线电讯号识别特定目标并写入相关数据，而无需识别系统与特定目标 之间建立直接接触10。采用rfid射频识别技术完善新能源汽车动力电池回收机制体系，使动力电池回 收过程更加规范和专业化。收集新能源汽车动力电池的基本信息，并对其进行数 据分析，建立电池回收机制体系数据库。根据动力电池的基本信息选择合适的 rfid电子标签，配在每一块动力锂电池上，并通过rfid电子标签储存信息的写 入程序11,记录动力锂电池的基本信息（即id信息），当报废电池到达冋收 企业在实施拆解z前，通过内置rfid阅读器的机

11、械手读取动力电池的id信息 （读取的1d信息内容如表1所示），并对其实施自动识别分类，输送至符合耍求 的拆解流水线。表1 rftd阅读器读取的id信息 下载原表a120150101大类型（电极材料分类）小类型（方八:育钿“、生产日期电池彳 型，圆型等）格尺7基于rfid新能源汽车动力电池回收机制研究思路如图2所示。基于rfid自动识别分类的机械手需要对其编写操作程序，目前动力锂电池的种 类主要有磷酸铁锂电池、镒酸锂电池、钻酸锂电池以及三元锂电池（三元鎳钻镒） 12（假设分别为a、b、c、d类，其屮方型为1类，圆型为2类），则机械手 操作程序流程图如图3所示。3回收流程及电池单元高效回收技术研究

12、方案3.1回收流程配有rfid电子标签的动力电迪图2基于rf1d新能源汽车动力电池回收机制研究工作流程下载原图开始结束新能源汽车动力电池的回收流程如图4所示购。该流程包含以下步骤：1）放 电。对失效的电池进行放电操作，去除动力电池的剩余电量，以保证后面的工序 能够安全地进行。2）初步分拆。3）电池单体的性能分析及分类。4）电池的单 体拆解。对没有使用价值的电池单体进行分拆，取出电池单体的电池芯。5）对 电芯进行元素分析，根据结果，按各个元素的含量，按照目标产品的各个主要 元素的比例决定不同批次原料的混合量，釆用化学法提取金属元素。6）对有使 用价值的电池单体，通过分选机按照电池单体剩余电容量分

13、选，按电容量进行 分级归类。3.2汽车动力电池单元高效回收技术新能源汽车动力锂电池单元高效回收技术的实施思路如图5所示，主要包括6 个主要步骤：电池外壳的回收，电解液的回收和处置，隔膜等废旧塑料回收，正 负极材料分离，机械法破碎和破碎物料综合回收u型。上述新能源锂汽车动力电 池单元拆解后分离岀电解液和内芯。其中电解液收集主要包括打孔、机械手操作 过滤、有机溶剂分离等步骤。车用动力电迪敢电拆开外壳、线滋出电迪卑检测电迪! 性能参?剩余能昼按电里等易电迪单1电迪单体按利用i拆解、秒碎元素分析元素回收图4回收方法下载原图废旧锂离子电迪废旧锂离子电迪耳赦电处理、电迪育预电处理、电迪倉电解液收集回u电迪

14、单元拆解电迪单元拆解废旧直正负极材料分离石垄负极材耳 磷酸扶锂正极机械法破碎高速谨转机可安全坏保装机械分迭物料综合回收热处理打孔收集电解液/机械手收集电解液经滤网过滤7滤过液体引流至碱性溶液比如naoh溶液等堆积一定量后采用机械手清理滤网图6电解液收集流程 下载原图电解液收集流程如图6所示。内芯经正负极材料分离后拟采用高速旋转粉碎机、 筛子、风力摇床及振动筛等设备进行粉碎、筛分，筛分后的物质用风力摇床综合 回收，综合回收出树脂材料和金属材料;采用co?超临界萃取回收电解液，通过 振动筛分离金属材料（铝、铜等）和混合粉末（磷酸铁锂和碳粉）；采用有机溶 剂法分离碳材料和磷酸铁锂正极材料。动力电池单

15、元高效破碎、材料识别分类。 装备系统由升降上料装置、破碎装置、综合回收装置、安全环保及智能控制系统 组成15。拆解重用后的动力锂电池通过高效破碎与综合回收工艺流程，实现对 动力锂电池可冋收材料的高效分类。图8电池压板下载原图4机械拆解系统4. 1装夹机构该机械拆解系统能实现高效率拆解废i 口动力电池，其利用装夹机构对多块动力 电池进行同时装夹处理，同时对电池进行夹紧力的调节。解决了目前存在的单块 处理效率低下的问题。装夹机构概念图如图7所示。装夹机构由框架、电池压板（如图8）、电池压头（如图9）和压紧杆（如图10） 组成，其中，压头与电池直接接触，由橡胶制成，由于其材质较软，故能很好 地贴合在

16、电池上，即使电池由于使用导致变形，其也能很好地夹紧。电池压板压 在橡胶上，压紧杆拧在框架上，由螺纹固定，使之压在压板上，通过调整压紧 杆可对在使用过程中出现变形的电池保证合适的夹紧力度，以使切割过程稳定， 精准、且安全。4. 2切割机构切割部分的两片锯片由轴肩、套筒和圆螺母固定，两块锯片分别切割电池的前端 和后端，故由套筒隔开，其间距离由电池的长度确定。由于整根轴既受轴向力又 受径向力，故采用成对角接触球轴承。另，锯片半径由装夹机构高度确定，即整 个电池切到底，装夹机构不能与切割轴发生干涉。主要切割部分由伺服系统控制, 能够使切割运动较为精准、平稳，以保证电池拆解时的安全性。同时，机构设有夹紧

17、装置，以保证切割进行时的稳定。切割机构概念图如图11。整个切割轴及 上面的零件如图12所示。图1 1切割机构下载原图图1 0压紧杆 下载原图5结论提出使用rfid无线射频识别技术收集新能源汽车动力电池的基本信息，并对其 进行数据分析，建立数据库，使切割系统更加完善，机械拆解更加规范化，使 电池冋收工作能够流水线式进行，可用于企业大规模冋收拆解锂离子电池。同时, 与现有回收装置相比，该系统能够装夹多块电池并进行同时切割的机构配合， 实现了高效率、大规模、安全回收废旧电池的要求，同时降低了电池回收的经济 成本和锂离子电池的使用成本。能够促进电动汽车的发展以减少汽车所带来的环 境问题。参考文献1 黎

18、宇科动力电池回收利用政策解读及发展趋势j汽车与配件，2016(3) :49.2 宫大庆，刘世峰，鲁晓春基于排队论的电动汽车电池回收建模与仿真研究j中国人口 资源与环境，2013, 23 (6) : 169-176.3 朱广艳动力电池回收及梯次利用研究现状j电源技术，2015, 39(7) : 1564-1566.4 余海军，谢英豪，张铜柱.车用动力电池回收技术进展j.中国有色金属学 报，2014 (2) : 448-460.5 温丰源.废i口锂离子电池材料中电解液的冋收处理方法j河南化工，2016, 33 (8) : 12-14.6 何宏恺，王粤威，陈朝方，等废旧动力锂电池回收利用技术的进展j广 州化学，2014, 3