盧世杰，周宏喜，郎平振，蘇 勇

（1.北礦機(jī)電科技有限責(zé)任公司，北京 100160；2.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160）

2020年新能源汽車動(dòng)力電池迎來首批退役潮，廢舊動(dòng)力電池中含有鎳、鈷、錳、鋰等稀缺礦產(chǎn)資源，極具經(jīng)濟(jì)價(jià)值?；厥绽脧U舊電池不僅可以實(shí)現(xiàn)資源循環(huán)再生，還可以避免環(huán)境污染。退役動(dòng)力電池最終都要報(bào)廢拆解，通常采用精細(xì)拆分或直接破碎分選法得到正極粉料或正負(fù)極粉料，再經(jīng)冶金處理得到鎳、鈷和鋰等有價(jià)金屬，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池資源的綜合循環(huán)利用［1－2］。為了實(shí)現(xiàn)電芯高效解離，本文探究了破碎裝置的合適參數(shù)，為后續(xù)深度分選提供依據(jù)。

1 破碎機(jī)理

1.1 破碎方法

常用的機(jī)械破碎方法有擠壓破碎、研磨破碎、沖擊破碎和剪切破碎等。根據(jù)被破碎物料的硬度、強(qiáng)度和黏結(jié)性以及物料的給料、排料粒度來選擇合適的破碎方法及裝置。動(dòng)力電池電芯主要由鋁殼、正極片、負(fù)極片、隔膜和塑料等構(gòu)成，主要組分結(jié)合方式有壓合與黏合2種，如外殼、極柱和隔膜等材料間靠壓力壓合在一起，材料間不存在分子作用力；而正極材料與鋁箔，負(fù)極材料與銅箔間通過黏結(jié)劑黏合，結(jié)合牢固，分子間存在作用力。壓合方式的物料間通過破壞其結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)完全解離，而黏合方式的物料則因黏結(jié)劑的存在不易通過破碎方式完全解離［3］。

1.2 關(guān)鍵因素分析

電芯的主要組分為非脆性物料，韌性較強(qiáng)，宜用剪切方式實(shí)現(xiàn)物料解離，破碎效果與物料大小，刀具形式、刀具數(shù)量、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、動(dòng)刀與定刀間隙等密切相關(guān)，其中刀具形式、轉(zhuǎn)速及動(dòng)刀與定刀間隙3個(gè)因素對(duì)碎后產(chǎn)品的形狀和粒度影響較為顯著。破碎效果可通過產(chǎn)品形狀和粒度大小來表征，形狀越規(guī)則、變形越少、產(chǎn)品粒度越小，則尺寸切割數(shù)越大，破碎效果越好。尺寸切割數(shù)計(jì)算式為［4］：

式中Ls為尺寸切割數(shù)，表明剪切破碎效果的參數(shù)，其值越高則剪切效果越好；Z1為轉(zhuǎn)子上的動(dòng)刀數(shù)；Z2為破碎機(jī)中定刀數(shù)；L為刀片長度；n為轉(zhuǎn)速；a為設(shè)備參數(shù)（由工況確定）。

由式（1）可知，定刀和動(dòng)刀數(shù)量越多，尺寸切割數(shù)越大，即產(chǎn)品粒度越??；刀片長度越長，即刀具切割面越長，產(chǎn)品剪切效果越好，粒度越??；設(shè)備轉(zhuǎn)速越大，尺寸切割數(shù)多，產(chǎn)品粒度越小。剪切破碎效果與刀具數(shù)量、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、切割面長度成正相關(guān)。

1.2.1 刀具形式分析

3種常見刀具的截面圖見圖1。

圖1 3種刀具的截面圖

矩形刀的切割面為3個(gè)，剪切過程中矩形刀同時(shí)在軸向和垂直于軸向的側(cè)面對(duì)物料施加剪切力，使物料表面產(chǎn)生3處裂紋，且側(cè)向裂紋與軸向裂紋呈90°夾角。鋸齒刀的切割面為2個(gè)，鋸齒刀在兩個(gè)方向上施加剪切力，使物料表面產(chǎn)生2處裂紋。V型刀的切割面為1個(gè)，僅使物料表面產(chǎn)生1處軸向裂紋。在切割面長度L一定時(shí)，被剪切物表面產(chǎn)生的裂紋數(shù)越多，物料斷裂越快，剪切效果越好。刀具的剪切長度也不同，大小順序?yàn)椋壕匦蔚叮句忼X刀＞V型刀。

1.2.2 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速分析

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越高，動(dòng)刀剪切速度越大，刀尖處摩擦減小，剪切過程中物料的塑性變形減小，使得刀具和電芯間的側(cè)向擠壓力減小，合成擠壓力的方向更接近動(dòng)刀的運(yùn)動(dòng)方向，物料內(nèi)產(chǎn)生的裂紋以滑移型裂紋為主，切割面形狀平整光滑，變形少，剪切斷面質(zhì)量顯著提高。由式（1）可知，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越高，物料尺寸切割數(shù)越大，剪切后物料粒度越小，剪切效果越好。但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越大，設(shè)備功耗越大，對(duì)轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡性要求越高。反之，轉(zhuǎn)速越小，易導(dǎo)致被剪切物發(fā)生變形，剪切效果差。因此，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以產(chǎn)生的切應(yīng)力稍高于電芯物料的抗剪強(qiáng)度為宜［5－6］。

1.2.3 動(dòng)刀與定刀間隙分析

物料剪切過程中旋轉(zhuǎn)剪切示意圖見圖2。

圖2 旋轉(zhuǎn)剪切示意圖

剪切力計(jì)算公式［12－13］為：

式中P為剪切力，N；b為物料寬度，mm；h為物料厚度，mm；τ為物料抗剪強(qiáng)度，MPa；α為物料剪切過程中的最終轉(zhuǎn)角；g為動(dòng)刀與定刀間隙，mm；m＝g／h，為相對(duì)間隙。

由式（2）可知，剪切力主要與電芯物料尺寸、抗剪強(qiáng)度、動(dòng)刀與定刀間隙有關(guān)，動(dòng)刀與定刀間隙是影響剪切效果的重要因素，同時(shí)也關(guān)系到剪切力的大小和刀具的使用壽命。刀具剪切過程由壓入變形和剪切滑移兩個(gè)階段組成，調(diào)整動(dòng)刀與定刀間隙可使剪切力發(fā)生變化。當(dāng)間隙由0逐漸增大時(shí)，被剪物料依次發(fā)生壓縮→剪切→彎曲等變化，剪切力將由大→小→大，間隙過小或過大都會(huì)使剪切力增加。合適的間隙是刀具能夠正常剪切并得到形狀規(guī)則物料的關(guān)鍵。間隙過大時(shí)，刀具對(duì)物料產(chǎn)生的彎矩過大，產(chǎn)生的裂紋會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)位，不重合，斷裂面不平整，物料被拉斷，甚至擠壓變形，剪切效果差。而切割間隙過小時(shí)，產(chǎn)生的剪切力增大，剪切效果變好，設(shè)備負(fù)載增加，刀具磨損加劇，刃口可能出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象［7－8］。

2 破碎試驗(yàn)裝置

圖3為試驗(yàn)用破碎裝置，主要由給料器、破碎腔、傳動(dòng)系統(tǒng)、錐形下料斗、支架及風(fēng)機(jī)組成。破碎腔由轉(zhuǎn)子（安裝動(dòng)刀）、定刀和篩網(wǎng)等組成。因電芯物料適合剪切破碎，本文設(shè)計(jì)了3種刀型的轉(zhuǎn)子（如圖1所示）。試驗(yàn)采用方形鋁殼三元電池單體，尺寸148 mm×91 mm×27 mm。

圖3 電芯破碎裝置

3 破碎試驗(yàn)

3.1 不同刀型轉(zhuǎn)子破碎試驗(yàn)

鋸齒刀、矩形刀和V型刀3種刀型轉(zhuǎn)子分別在轉(zhuǎn)速50 Hz＠768 r／min、動(dòng)刀與定刀間隙2 mm條件下進(jìn)行電芯破碎，3種刀型轉(zhuǎn)子多次開路破碎后－19 mm粒級(jí)新增率見表1。

表1 鋸齒刀、矩形刀和V型刀多次破碎試驗(yàn)數(shù)據(jù)

鋸齒刀轉(zhuǎn)子5次開路破碎后產(chǎn)品形狀不規(guī)則，鋁殼出現(xiàn)明顯的擠壓變形，物料間存在折疊和夾帶現(xiàn)象。矩形刀的破碎效果優(yōu)于鋸齒刀，－19 mm粒級(jí)新增率高6.3個(gè)百分點(diǎn)，且矩形刀的破碎產(chǎn)品中幾乎沒有成沓物料，破碎后鋁殼沒有變形，更利于后續(xù)分選。V型刀破碎后產(chǎn)品表面擠壓變形更少，更利于后續(xù)分選，但一次破碎后的產(chǎn)品中大塊較多。4次開路破碎后V型刀比鋸齒刀破碎產(chǎn)品中－19 mm粒級(jí)新增率低10.48個(gè)百分點(diǎn)，效果很差。

綜合對(duì)比3種不同刀型的轉(zhuǎn)子，矩形刀的破碎產(chǎn)品中－19 mm粒級(jí)新增率最高，破碎效果最好。

電芯破碎實(shí)現(xiàn)物料間解離是后續(xù)高效分選的前提，若破碎產(chǎn)品尤其是鋁殼的擠壓變形小、形狀規(guī)則，則鋁殼夾帶極片、隔膜的概率越低；產(chǎn)品中－19 mm粒級(jí)新增率高，則物料解離充分，越利于后續(xù)分選和細(xì)碎。

3.2 不同轉(zhuǎn)速破碎試驗(yàn)

使用矩形刀轉(zhuǎn)子、動(dòng)刀和定刀間隙2 mm條件下，考察轉(zhuǎn)速對(duì)破碎產(chǎn)品－19 mm粒級(jí)新增率的影響。每次破碎4塊電芯，分別完成5次開路試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

表2 不同轉(zhuǎn)速下破碎產(chǎn)品－19 mm粒級(jí)新增率

由表2可知，在轉(zhuǎn)速653 r／min條件下－19 mm粒級(jí)新增率最高，達(dá)到86.3%；當(dāng)破碎機(jī)轉(zhuǎn)速較小時(shí)，破碎產(chǎn)品中－19 mm粒級(jí)新增率較低，破碎產(chǎn)品中鋁殼擠壓變形明顯增多，正負(fù)極片夾帶隔膜現(xiàn)象也突出，因此對(duì)電芯進(jìn)行剪切破碎時(shí)需要一定的剪切速度。

3.3 不同動(dòng)刀與定刀間隙破碎試驗(yàn)

使用矩形刀轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)速653 r／min條件下進(jìn)行5次開路試驗(yàn)，動(dòng)刀與定刀間隙對(duì)破碎產(chǎn)品－19 mm粒級(jí)新增率的影響如表3所示。

表3 不同間隙下破碎產(chǎn)品－19 mm粒級(jí)新增率

由表3可知，當(dāng)破碎機(jī)動(dòng)刀與定刀間隙1 mm時(shí)，產(chǎn)品中－19 mm粒級(jí)新增率最高，達(dá)到90.5%；間隙增大時(shí)，破碎后產(chǎn)品中－19 mm粒級(jí)新增率呈下降趨勢(shì)，而且電芯鋁殼被擠壓變形增多，這與理論分析結(jié)果一致。

3.4 綜合試驗(yàn)

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，動(dòng)力電池電芯用破碎裝置宜采用矩形刀轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速653 r／min，轉(zhuǎn)子動(dòng)刀與定刀間隙1 mm，此時(shí)電芯破碎后產(chǎn)品中－19 mm粒級(jí)新增率可達(dá)90.5%，且物料解離充分，更利于物料高效分選。

4 結(jié) 論

1）根據(jù)電芯特性，宜剪切破碎處理，通過理論分析和試驗(yàn)研究了破碎機(jī)轉(zhuǎn)子刀型、轉(zhuǎn)速、動(dòng)刀與定刀間隙等關(guān)鍵因素對(duì)電芯破碎效果的影響。

2）矩形刀、鋸齒刀、V型刀3種刀型轉(zhuǎn)子中，矩形刀轉(zhuǎn)子破碎后產(chǎn)品形狀規(guī)則，擠壓變形少，粒度更細(xì)，破碎效率高，產(chǎn)品中少有折疊和擠壓現(xiàn)象，易于后續(xù)分選。

3）矩形刀轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)速653 r／min、動(dòng)刀與定刀間隙1 mm條件下，破碎產(chǎn)品中－19 mm粒級(jí)新增率達(dá)到90.5%，破碎產(chǎn)品變形較少，剪切效果較好。