快速测定废旧锂电池中的锂离子浓度

蒋珊 ,刘仁健

湖南海利锂电科技有限公司

摘要：如今，随着电动汽车和移动电子设备的迅速发展，锂离子电池已成为重要的能源材料。小型锂离子电池的使用寿命为3至5年，大型锂离子电池的使用寿命为5至10年，这意味着大量锂离子电池处于待处理或报废状态。据统计，中国2020年废弃锂离子电池容量达到12.9千兆瓦小时，2025年和2030年预计将达到117千兆瓦小时和280千兆瓦小时。为了满足国家能源战略的需要，这些锂离子电池必须紧急回收，锂离子电池的浓度必须在回收过程中进行测试，以便于形成新的锂离子电池，而且检测这些电池越简单、越快，成本效益就越高。由于回收过程是湿的和酸性的，因此Li+经常在溶液中进行测试。但是，Li+难以沉淀和集成，目前依靠ICP-OES检测锂离子的主要手段，包括GB/t 2367.2-2009分析钴锂的国家标准，但这种测试方法无法避免大型仪器的高成本和与测试有关的定位限制。本文主要分析快速测定废旧锂电池中的锂离子浓度。

关键词：锂离子电池；紫外分光光度法；快速检测；正极材料

引言

紫外分光光度法是一种广泛应用、快速简便的光学试验方法，目前用于检测多种金属离子溶液、高速溶液、准高精度溶液或元素检测。目前，紫外分光光度法用于测定碳酸锂浓度。

1、锂电池事故原因分析

根据最近2018—2021年锂电池行业发展报告，以及网络报道出来的锂电池事故数据等信息，总结锂电池事故的诱发因素，从安全管理的人、物、管、环对这些因素进行分类归纳。统计数据显示，锂电池事故主要分成自燃、爆炸和电解液泄漏3类。（1）锂电池自燃。自燃事故是最常见的锂电池事故，由于人为操作不当、电池设计缺陷、质量不达标及工作环境潮湿等影响，锂电池内部正负极发生短路现象后引发自燃，进而点燃周围可燃物引发火灾事故。最近几年的统计信息中，锂电池自燃事故高居所有事故的首位。（2）锂电池爆炸。锂电池爆炸事故常见于锂电池加工、制造、运输和充放电等环节当中，出现爆炸事故的主要原因是电池内部空间狭小，一旦遇到电池短路现象，内部温度将会快速升高，电池内部液体受热后体积快速膨胀，内部压力增大到一定程度后引起爆炸。特别是在充电过程中锂电池最容易发生爆炸事故，例如特斯拉ModelS自2012年上市以来，全球范围内引发了不下50起燃烧或爆炸事故，其中大多数燃烧或爆炸事故都与电池有关系。（3）电解液泄漏。锂电池外壳不坚固，在挤压、碰撞、内部碰撞及内部腐蚀等因素影响下外壳破裂，导致腐蚀性电解液泄漏出来，引发人身伤害或者环境污染事件，电解液泄漏事故多发于废旧锂电池回收再循环利用环节。

2、锂电池安全性能检测方法

2.1表面缺陷检测

锂电池的表面缺陷主要是由原材料本身受损或仅生产线上受到误碰产生的,其主要表现为划痕、褶皱、鼓包、凹痕、凹坑、针眼、露铝、脏污等,其中针眼、露铝等严重缺陷会影响电池的安全性能。目前工业上锂电池的表面检测方式以人工检测为主,质检员在强光环境下仔细观察每一块产品的表面,并通过触觉检测锂电池表面的凹痕、凹坑。基于CCD(电荷耦合器件)成像和数字图像处理的机器视觉技术的自动检测技术逐渐成熟,而现阶段表面缺陷的自动化检测仍处于探索阶段,目前比较成熟的产品如SmartRay公司的ECCO950.203D型视觉传感器,可以呈现完整的电池3D模型,其对软包电池表面缺陷的检测结果如图2所示。锂电池表面缺陷的自动检测技术具有检测速度快、精度高、不会造成二次伤害等优点,但容易受到生产工艺、光照等环境影响。

2.2电池内部结构缺陷检测

电池内部结构缺陷主要分为两种,一种是电池内部存有异物,一种是电池内部存在过多气体。电池内部异物主要由电池生产过程中的工艺缺陷造成,可采用X射线对其进行检测,由于X射线对于高密度材料敏感,能够检测到的主要是金属异物。电解质存在过多空气主要由封装不良、电池芯内部化学反应、电解质浸润不良等因素造成。使用CT成像技术分析了电池的内部结构,并从环境、温度以及电池结构等3个方面分析了锂电池可能存在的短路问题。使用CT扫描技术对电池内部结构进行检测,得到的动力电池密封圈异物CT图像如图4所示,其中异物粒径约为100μm(异物可能会导致电池密封不严,电解液泄漏)。等利用声发射技术对锂电池不同材料的电极进行检测,分析电池内部气体的产生情况。针对锂电池中是否存在空气层缺陷的问题,采用空气耦合超声回执穿透法对锂离子电池进行检测,试验设置采样频率为10MHz,增益为33dB,每组采集2584个点,采集若干组数据,通过浸润过程不同时刻的成像结果,观察电解液在浸润过程中的变化,该方法可用来观测电解液是否充满、判断电池内部是否存在空隙,也可以用来研究注液方式对电解液浸润效果的影响。

3、高性能锂电池材料的应用趋势

3.1现阶段锂电池运用的势态

在现阶段，锂电池发展迅速，已被广泛应用。在航空航天和新能源汽车等领域采用了锂离子电池能源技术，这有助于澄清电力研究和开发的思路和方向，并增加其种类和数量，从而增加了对锂电池的需求。在广泛宣传和促进环境保护工作的情况下，公众对锂电池的兴趣和关注有所增加，这表明今后高性能锂电池材料的重要性和价值不容置疑。绿色环保理念赢得人心后，对锂电池的关注开始增加，使用频率和数量也开始增加。在许多领域，锂电池被视为首选，例如新能源汽车和航天飞机，所有这些都加强了锂电池技术的发展。一旦这项技术得到改进和优化，整个行业的发展进程必然会加快，从而使锂电池材料的效率和效果得到充分利用。事实上，高性能锂电池的科学利用明显更具市场竞争力，不难看出放置。

3.2高性能锂电池材料未来的发展趋势

今后锂电池的发展前景很好一方面，它可以适用于不同的工业部门；另一方面，高性能锂电池的研究在受到广大民众思想观念转变和完善的影响后，在中国相关政策的支持和推动下受到了广泛的关注和关注。为了有效处理锂电池开发和生产问题，确保产品质量符合相关要求，必须利用产品质量、专业人才和技术等不同方面作为推进改革进程的切入点。从人才的角度来看，全国这一领域的专业人才较少，因此需要重视培训和教育工作，鼓励大学积极开拓锂电池行业，有效开展人才培养工作，积累更多人才，带动整个行业的发展和进步。从技术角度来看，由于国内研发和生产技术存在一定的滞后，有必要利用进口来确保有效地持续供应锂电池。对于这一部门，有关工人必须更加重视设备的研究和分析，实现研究目标——自主发展，降低进口成本。由于高性能锂离子电池仍处于研发阶段，因此在正式使用之前，有必要确保其质量、性能和安全性。

结束语

目前国内外均已开展新能源电池的人工智能检测研究,涉及电池表面、电池极片、内部结构等方面的缺陷检测,同时新能源电池的智能检测需要大量的缺陷数据库支持,CT成像结果可以提供部分支持。目前有些CT设备可以达到微米级检测精度,可以清晰地呈现锂电池结构,实现较高放大倍率下的CT数据中的特异点查找。CT检测技术还可对检测产品进行内部结构的全面扫描,得到材料微观结构的三维空间的数量、体积分数、分布等信息,有利于分析材料缺陷信息与力学性能的关系,辨别缺陷在材料失效中的作用,以优化和改善材料的制备工艺,为将来新能源动力电池的检测提供参考。

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