原创 淺談鋰電池之三

　目前鋰離子電池主要生產國為日本，現階段鋰離子二次電池主要應用在於筆記型個人電腦上及可攜帶型通訊設備。依據日本國際貿易和工業部的統計，鋰離子電池的產值自 1995 年起呈現大幅度的成長，從﹝表四﹞所列出日本矢野經濟研究所所提出鋰離子二次電池的應用分析，可以看出二次鋰離子電池應用的領域按照使用電池的數量大小順序，依次為 NB/PC (筆記型電腦 )、Cellular Phone ( 行動電話 )、Camcorder ( 攝錄影機 )、MD Player ( 迷你光碟放音機 )、PDA、PHS 和其他。其中以 NB/PC ( 筆記型電腦 ) 應用比例最大，超過 50%，Cellular Phone ( 行動電話 )居次為 31%。

﹝表四﹞全球二次鋰電池需求量預估。﹝單位 ： 千個﹞

註1 ： Others ： Handy Terminal for Business Use、Digital Still Camera。

　　初期所使用的鋰二次電池型式為圓筒型，大都應用在 NB/PC 上，最為普遍的為 18650 型號 ( 直徑 18 mm，高度 65 mm )，最近由於行動電話的普及，薄型化的方型電池逐漸成為市場的主流。由於各家電池製造商的策略不同，使得各公司方型電池產量比例各有不同且差異甚大，以 1996 年為例，Sony Energy Tech.方型電池比例僅為 7.3%，Matsu  a 大約 20%，Moli Energy為 33%，Sanyo 為 50%左右，A&T Battery 超過 75%，而Japan Storage 則為100%。

　　方型二次鋰離子電池由於具有高體積能量密度的優勢，加上無線器材薄型化發展，使得機體 10 mm 以下的器材大都會採用方型二次鋰離子電池，這種現象在攜帶式電話上更是如此，因此各種具有不同電容量和外形尺寸的方型電池因應而出。其中 Sanyo 因採用鋁合金罐體，因此具有最高重量能量密度。預估到 2002 年時，方型和圓型鋰離子二次電池的比例可達到 1 ： 1。

　　隨著行動電話、筆記型電腦等各項 3C 電用品使用量的迅速成長以及環保電動汽車應用的發展趨勢，各種不同種類的高性能鋰電池使用量亦隨之增。估計西元 2005 年全球小型鋰二次電池需求用量將達到 610 百萬顆。有鑒於鋰二次電池市場需求的發展潛力可觀，國內已經陸續有太陽電能、與能科技、能元科技等各廠商投入二次鋰電池的研究及設廠生產計劃。然而在這一片看好鋰電池發展潛力之際，目前政府相關單位及鋰電池廠商並未針對於如何處理這與日俱增的廢鋰電池處理做一妥善的規劃。由於廢鋰電池相較傳統電池具有軟高的危害性,在未來很有可能形成公害污染與資源浪費等的問題。

鋰電池可能造成的污染與危害：

　　鋰電池的種類眾多﹝表五﹞，主要可概分為使用鋰金屬作為負極材料的一次電池、採用鋰金屬氧化物當作正極及各類碳化物當作負極的二次電池。在一次電池中，由於直接使用反應性極高的鋰金屬作為負極材料，因此若廢棄的鋰電池未完全放電完畢而殘存有鋰金屬成分時，一旦電池外殼受到腐蝕而接觸到外界環境或其他因素造成鋰電池短路，將可能會有引起火災甚至爆炸的危險性。而二次鋰離子電池雖然使用安定性較佳的鋰金屬氧化物﹝常用的如鋰鈷、鋰錳、鋰鎳等氧化物﹞當作正極材料，但在反覆的充放電過程中，仍不免有鋰金屬析出的情形。　　另外，一些常作為鋰電池電解質的物質﹝如 LiPF₆、LiClO₄、LiSO₄、LiBF₄等﹞接觸到空氣或水分時，都會產生高危險性的物質而造成自然環境的污染破壞及個人安全的威脅﹝表六﹞。目前已經商業化產量的二次鋰電池種類中，主要是以鋰鈷氧化物為主，由於自然界中的鈷金屬蘊藏量少﹝表七﹞，基於資源有限的考量，有必要予以進行再生處理。

〔 表五 〕主要鋰電池種類

〔表六〕二次鋰電池材料種類極可能造成的危害

〔表七〕電池主要金屬成分在自然界中的蘊藏量

鋰電池的回收與再處理：　　鋰電池回收再生處理的方式主要可為乾式法、濕式法兩種。

乾式法 ：  　　　　 乾式法是將鋰電池以高溫進行焚燒後，分離出各種金屬而回收。如前所述，各式的鋰電池具有較高的危險性，因此再製程處理時，必須將電池保持在隔絕水分與空氣的環境中，一般是在氮氣或氬氣的氣氛環境中進行。處理的主要流程如〔圖四 〕所示。　　　　 廢棄的鋰電池由回收站收集後，一電池的種類與大小先進行分類。分類過後的鋰電池可能有大部分仍未完全放電完畢，因此必須先施予放電的程序，以避免其後製程因外力操作不當而產生燃燒或爆炸的危險。　　 經過放電處理後的廢電池，再將其進行去殼與切割的步驟。此步驟除了有利於焚燒製程時的方便性外，並可分散焚燒處理時劇烈反應中的危險性。經過此步驟處理過後，已經被切割減積成電池碎片的部分則被導入焚化爐中，予以高溫﹝約 600~800℃﹞處理。　　 在焚燒爐處理過程中，藉由熔點與比重的差異，分別將 Co、Ni、Fe、Al 等金屬回收。至於鋰金屬，則是以 Li₂O 的氣體形式逸出，然後再與H₂O、Na₂CO₃ 反應形成 Li₂CO₃ 予以回收。﹝Li₂CO₃ 為製造 LiCoO₂ 活性物的中間原料﹞。　　值得注意的是，若是所欲處理的鋰電池為使用鋰金屬當作負極材料的電池，則在去殼與切割的步驟中，一旦操作不當，極易會有火災甚至爆炸的危險性。因此為了避免此危險，亦有學者研究將經過放電程序的鋰電池先冰凍至 -180℃ 的環境後再進行去殼與切割的動作，藉著低溫降低鋰金屬的活性外，且由於此低溫已經在電池所使用的黏結劑﹝如 PVDF﹞及所含塑膠配件的玻璃轉化點﹝Tg﹞溫度範圍之下，將更有利於電池切割減積工作之進行。

2.  濕式法

　濕式法主要是以處理液﹝無機酸溶液﹞將廢電池中的各個所欲收回成分進行萃取後再予以純化回收。如同乾式法一樣，在進行廢電池處理時，亦必須將電池保持在隔絕水分與空氣的環境中進行。　　主要流程﹝圖五﹞為廢棄的鋰電池經過放電處理及電池去殼與切割程序後，將電池碎片放進吸收室再以無機酸溶液噴淋，然後將鋰電池所含的電解液及鋰金屬成分予以萃取吸收，在分別進行純化後供再生使用。而其餘的殘渣部分則依各種金屬的特性不同進行分離，純化後供再生使用。　　在進行放電處理時，可採用將電池置於食鹽水溶液中進行放電或接上負載放電方法。一般而言，進行濕式法每批次在吸收室進行處理所需時間約為 30min ~ 120min，可用物質回收率估計可達到 80% 以上。　　經過放電完畢的廢電池在送進主要處理室﹝1﹞之前必須先移入於預備室﹝2﹞中進行去水分的動作，然後才進入主要處理室。在進入主要處理室﹝1﹞後，以鐘錘將電池殼體擊碎﹝擊碎速度必須適中以避免危險﹞，再以無機酸溶液噴淋，分別將所含的電解液及鋰成分萃取出來﹝由﹝4﹞、﹝5﹞﹞，其它的固體殘渣予以分離後由﹝3﹞移出再回收其中的各項金屬成分。而在萃取過程中，所產生的水氣則藉由幫浦抽回﹝7﹞後分離，經分離後不含水分的氮氣再充入﹝1﹞、﹝2﹞、﹝3﹞中循環使用。

目前台灣廢電池的回收狀況：

　　目前台灣的廢電池處理室由        環保署廢棄物管理處﹝以下簡稱廢管處﹞統籌負責，廢管處下編制有回收基金管理委員會，其中業務一組負責廢乾電池﹝水銀電池、氧化銀電池、鹼錳電池、鎳鎘廢電池﹞回收業務，業務三組負責廢鉛蓄電池回收業務，至於鎳氫電池及鋰電池則未規劃在回收項目範圍中。　　從目前環保署對於廢電池的相關規定條文及作業上看來，其主要是著重於廢電池的回收上，至於回收廢電池後是否積極的進行資源再生工作，在態度與作為上並不是很清楚。這可從目前市面上有廠商極力促銷的「環保電池」﹝不會造成環境污染，不需要回收處理之電池？﹞，及有重污染之餘的鎳-鎘電池每公斤政府僅向廠商收取 50.52 元、廢鉛蓄電池 1.992 元/公升的低處理費用可略知一二。