卢世杰，周宏喜，郎平振，苏 勇

（1.北矿机电科技有限责任公司，北京 100160；2.矿冶科技集团有限公司，北京 100160）

2020年新能源汽车动力电池迎来首批退役潮，废旧动力电池中含有镍、钴、锰、锂等稀缺矿产资源，极具经济价值。回收利用废旧电池不仅可以实现资源循环再生，还可以避免环境污染。退役动力电池最终都要报废拆解，通常采用精细拆分或直接破碎分选法得到正极粉料或正负极粉料，再经冶金处理得到镍、钴和锂等有价金属，实现动力电池资源的综合循环利用［1－2］。为了实现电芯高效解离，本文探究了破碎装置的合适参数，为后续深度分选提供依据。

1 破碎机理

1.1 破碎方法

常用的机械破碎方法有挤压破碎、研磨破碎、冲击破碎和剪切破碎等。根据被破碎物料的硬度、强度和黏结性以及物料的给料、排料粒度来选择合适的破碎方法及装置。动力电池电芯主要由铝壳、正极片、负极片、隔膜和塑料等构成，主要组分结合方式有压合与黏合2种，如外壳、极柱和隔膜等材料间靠压力压合在一起，材料间不存在分子作用力；而正极材料与铝箔，负极材料与铜箔间通过黏结剂黏合，结合牢固，分子间存在作用力。压合方式的物料间通过破坏其结构可实现完全解离，而黏合方式的物料则因黏结剂的存在不易通过破碎方式完全解离［3］。

1.2 关键因素分析

电芯的主要组分为非脆性物料，韧性较强，宜用剪切方式实现物料解离，破碎效果与物料大小，刀具形式、刀具数量、转子转速、动刀与定刀间隙等密切相关，其中刀具形式、转速及动刀与定刀间隙3个因素对碎后产品的形状和粒度影响较为显著。破碎效果可通过产品形状和粒度大小来表征，形状越规则、变形越少、产品粒度越小，则尺寸切割数越大，破碎效果越好。尺寸切割数计算式为［4］：

式中Ls为尺寸切割数，表明剪切破碎效果的参数，其值越高则剪切效果越好；Z1为转子上的动刀数；Z2为破碎机中定刀数；L为刀片长度；n为转速；a为设备参数（由工况确定）。

由式（1）可知，定刀和动刀数量越多，尺寸切割数越大，即产品粒度越小；刀片长度越长，即刀具切割面越长，产品剪切效果越好，粒度越小；设备转速越大，尺寸切割数多，产品粒度越小。剪切破碎效果与刀具数量、转子转速、切割面长度成正相关。

1.2.1 刀具形式分析

3种常见刀具的截面图见图1。

图1 3种刀具的截面图

矩形刀的切割面为3个，剪切过程中矩形刀同时在轴向和垂直于轴向的侧面对物料施加剪切力，使物料表面产生3处裂纹，且侧向裂纹与轴向裂纹呈90°夹角。锯齿刀的切割面为2个，锯齿刀在两个方向上施加剪切力，使物料表面产生2处裂纹。V型刀的切割面为1个，仅使物料表面产生1处轴向裂纹。在切割面长度L一定时，被剪切物表面产生的裂纹数越多，物料断裂越快，剪切效果越好。刀具的剪切长度也不同，大小顺序为：矩形刀＞锯齿刀＞V型刀。

1.2.2 转子转速分析

转子转速越高，动刀剪切速度越大，刀尖处摩擦减小，剪切过程中物料的塑性变形减小，使得刀具和电芯间的侧向挤压力减小，合成挤压力的方向更接近动刀的运动方向，物料内产生的裂纹以滑移型裂纹为主，切割面形状平整光滑，变形少，剪切断面质量显著提高。由式（1）可知，转子转速越高，物料尺寸切割数越大，剪切后物料粒度越小，剪切效果越好。但转子转速越大，设备功耗越大，对转子的动平衡性要求越高。反之，转速越小，易导致被剪切物发生变形，剪切效果差。因此，转子转速以产生的切应力稍高于电芯物料的抗剪强度为宜［5－6］。

1.2.3 动刀与定刀间隙分析

物料剪切过程中旋转剪切示意图见图2。

图2 旋转剪切示意图

剪切力计算公式［12－13］为：

式中P为剪切力，N；b为物料宽度，mm；h为物料厚度，mm；τ为物料抗剪强度，MPa；α为物料剪切过程中的最终转角；g为动刀与定刀间隙，mm；m＝g／h，为相对间隙。

由式（2）可知，剪切力主要与电芯物料尺寸、抗剪强度、动刀与定刀间隙有关，动刀与定刀间隙是影响剪切效果的重要因素，同时也关系到剪切力的大小和刀具的使用寿命。刀具剪切过程由压入变形和剪切滑移两个阶段组成，调整动刀与定刀间隙可使剪切力发生变化。当间隙由0逐渐增大时，被剪物料依次发生压缩→剪切→弯曲等变化，剪切力将由大→小→大，间隙过小或过大都会使剪切力增加。合适的间隙是刀具能够正常剪切并得到形状规则物料的关键。间隙过大时，刀具对物料产生的弯矩过大，产生的裂纹会出现错位，不重合，断裂面不平整，物料被拉断，甚至挤压变形，剪切效果差。而切割间隙过小时，产生的剪切力增大，剪切效果变好，设备负载增加，刀具磨损加剧，刃口可能出现崩刃现象［7－8］。

2 破碎试验装置

图3为试验用破碎装置，主要由给料器、破碎腔、传动系统、锥形下料斗、支架及风机组成。破碎腔由转子（安装动刀）、定刀和筛网等组成。因电芯物料适合剪切破碎，本文设计了3种刀型的转子（如图1所示）。试验采用方形铝壳三元电池单体，尺寸148 mm×91 mm×27 mm。

图3 电芯破碎装置

3 破碎试验

3.1 不同刀型转子破碎试验

锯齿刀、矩形刀和V型刀3种刀型转子分别在转速50 Hz＠768 r／min、动刀与定刀间隙2 mm条件下进行电芯破碎，3种刀型转子多次开路破碎后－19 mm粒级新增率见表1。

表1 锯齿刀、矩形刀和V型刀多次破碎试验数据

锯齿刀转子5次开路破碎后产品形状不规则，铝壳出现明显的挤压变形，物料间存在折叠和夹带现象。矩形刀的破碎效果优于锯齿刀，－19 mm粒级新增率高6.3个百分点，且矩形刀的破碎产品中几乎没有成沓物料，破碎后铝壳没有变形，更利于后续分选。V型刀破碎后产品表面挤压变形更少，更利于后续分选，但一次破碎后的产品中大块较多。4次开路破碎后V型刀比锯齿刀破碎产品中－19 mm粒级新增率低10.48个百分点，效果很差。

综合对比3种不同刀型的转子，矩形刀的破碎产品中－19 mm粒级新增率最高，破碎效果最好。

电芯破碎实现物料间解离是后续高效分选的前提，若破碎产品尤其是铝壳的挤压变形小、形状规则，则铝壳夹带极片、隔膜的概率越低；产品中－19 mm粒级新增率高，则物料解离充分，越利于后续分选和细碎。

3.2 不同转速破碎试验

使用矩形刀转子、动刀和定刀间隙2 mm条件下，考察转速对破碎产品－19 mm粒级新增率的影响。每次破碎4块电芯，分别完成5次开路试验，结果如表2所示。

表2 不同转速下破碎产品－19 mm粒级新增率

由表2可知，在转速653 r／min条件下－19 mm粒级新增率最高，达到86.3%；当破碎机转速较小时，破碎产品中－19 mm粒级新增率较低，破碎产品中铝壳挤压变形明显增多，正负极片夹带隔膜现象也突出，因此对电芯进行剪切破碎时需要一定的剪切速度。

3.3 不同动刀与定刀间隙破碎试验

使用矩形刀转子、转速653 r／min条件下进行5次开路试验，动刀与定刀间隙对破碎产品－19 mm粒级新增率的影响如表3所示。

表3 不同间隙下破碎产品－19 mm粒级新增率

由表3可知，当破碎机动刀与定刀间隙1 mm时，产品中－19 mm粒级新增率最高，达到90.5%；间隙增大时，破碎后产品中－19 mm粒级新增率呈下降趋势，而且电芯铝壳被挤压变形增多，这与理论分析结果一致。

3.4 综合试验

由上述试验结果可知，动力电池电芯用破碎装置宜采用矩形刀转子，转子转速653 r／min，转子动刀与定刀间隙1 mm，此时电芯破碎后产品中－19 mm粒级新增率可达90.5%，且物料解离充分，更利于物料高效分选。

4 结 论

1）根据电芯特性，宜剪切破碎处理，通过理论分析和试验研究了破碎机转子刀型、转速、动刀与定刀间隙等关键因素对电芯破碎效果的影响。

2）矩形刀、锯齿刀、V型刀3种刀型转子中，矩形刀转子破碎后产品形状规则，挤压变形少，粒度更细，破碎效率高，产品中少有折叠和挤压现象，易于后续分选。

3）矩形刀转子在转速653 r／min、动刀与定刀间隙1 mm条件下，破碎产品中－19 mm粒级新增率达到90.5%，破碎产品变形较少，剪切效果较好。