基于锂离子电池回收的新能源固体废物处理与处置教学改革

摘  要：新能源背景下，高校应顺应该领域快速发展的人才需求，充分结合固体废物处理与处置课程特征，进一步深化固体废物处理与处置课程改革。该文在阐释固体废物处理与处置课程设置初衷的基础上，分析新能源背景下固废课程改革的现实意义，提出在拓展教学范畴、丰富教学形式、对接行业需求和改革考核体系等方面着力，深化固废课程改革，提升专业课程教学质量。通过创新课程改革，努力培养新能源固体废物处理与处置领域的综合型创新人才，为国家实现“双碳”目标提供人才保障。

关键词：新能源；固体废物处理与处置；课程教学；教学改革；人才培养

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2025）07-0056-04

Abstract： In the context of the renewable energy， universities should comply with the demand for talents in the field of rapid development， fully combine the characteristics and further deepen the reform of Solid Waste Treatment and Disposal courses. Based on explaining the original intention of  Solid Waste Treatment and Disposal course， this paper analyzes the practical significance of solid waste course reform in the new energy background， proposes to expand the teaching scope， enrich the teaching form， connect with the industry demand， reform the assessment system and other aspects to deepen the solid waste course reform， thereby improving the teaching quality of professional courses. In doing so， we aim to educate talents with comprehensive ability and innovative thoughts in the field of renewable energy solid waste treatment and disposal for achieving the goal of carbon neutrality.

Keywords： renewable energy;  solid waste treatment and disposal; course teaching; teaching reform; talent cultivation

随着传统化石能源的不断消耗，全球能源与环境危机日益严重。为了解决能源供需问题和环境污染问题，确保经济稳定发展，世界各国均开始积极探索能源转型道路。以地理位置和气候等自身条件出发，演变出了太阳能、风能、地热能和潮汐能等多种新型能源模式[1]。但大多数可再生能源均受限于间歇性、不稳定性及局域性等特点[2]，难以在电网中大规模直接使用，因此，能量的储存同样重要。锂离子电池因其高能量密度和高功率输出等优势而被广泛应用于能量的储存[3]。在政府的支持和“双碳”目标的驱动下，我国新能源产业链发展快速，从上游的发电到下游的储能均走在世界前列，锂离子电池已经在电动汽车领域大量使用，在大规模清洁能源储能领域也极具潜力。但必须考虑到的是，锂离子电池中含有大量的重金属、有机物等难处理污染物，若不经处理与处置，势必会对生态环境和人类健康造成负面影响[4]。此外，新能源固废中不乏Ni、Co、Li和Ag等高价值金属元素，合理地回收可以缓解金属资源短缺，并具有一定的经济效益[5]。

固体废物处理与处置课程是环境科学与工程专业必修课之一，课程重点关注快速发展背景下的固体废弃物的处理与处置与资源化利用。随着21世纪工业的迅猛发展，势必要衍生一系列新型的工业固体废弃物。因此，固废课程的教学要紧跟时代潮流，更要具有一定的前瞻性。新能源背景下，高校的固体废物处理与处置课程必须立足于本行业发展的需要，培养研发、工艺、生产等多领域人才[6]。在新能源领域良好的发展势头和大量新能源器件面临退役的前提下，高校作为培育人才的重要基地，需重视课程教学模式的改革，以行业人才需求为导向，不断更新教学内容和形式，使教学内容与科研成果与行业接轨，从而为国家新能源发展提供创新型人才。综上所述，为了培养适应新能源背景下的环境领域前沿人才，本文将以锂电池为例，围绕退役锂电池固体废物的处理与处置展开论述，提出了新时代下的能源固废教学改革方案。

一  固废教学改革建议

（一）  拓展理论知识教学范畴

固体废物处理与处置课程涵盖厨余垃圾、生活垃圾、工业固废等各行各业固体废物的无害化资源化处理，但由于各行业性质不同，其固体废物的物理化学性质也有较大差异。因此，在对新型固体废物处理时，需要首先充分了解其物理和化学组成，然后“对症下药”，可以资源化的成分将其回收再利用，难以资源化或回收价值不高的成分则需要采取一定的手段将其无害化或减量化处理[7]。

以退役锂离子电池为例，其主要由正极、负极、隔膜和电解液组成。其中，正极占成本的30%～50%（随着金属价格的浮动，成本占比略有变化）[8]，且正极材料中含有Li、Co、Ni等多种有价金属元素。因此，对于正极材料的回收应以资源化为主要目标，缓解资源短缺问题同时获取一定的经济收益，从而实现废旧锂离子电池剩余价值的最大化。不同于正极材料，废旧锂离子电池中的电解液具有大量的有机组分和含氟物质[9]，如碳酸酯类有机溶剂、LiPF6电解质等。电解液的处理是废旧锂离子电池无害化处理的关键。综上所述，在教学过程中需要学生充分掌握废旧锂离子电池的组成，了解其中各组分的环境影响和物理化学性质，进而在原理上洞悉其回收方法。

其次，为培养行业的创新人才，需使学生充分了解主流及前沿废旧锂离子电池回收工艺（图1）。一方面，以行业现有量产工艺为范本，深入分析废电池的收集与分类、前端的电池放电与拆解、材料金属提取和电池材料再生等各环节的作用和原理，评估其优点和不足之处。这种批判性思维的培养将使学生具备改进工艺的能力，为未来的创新和可持续性提供更好的解决方案。另一方面，为确保学生在职业生涯中始终与时俱进，以近年来的电池回收文献为教材，挖掘有实际应用潜力的主流工艺（如碳热还原法、盐辅助焙烧法等），并将其分类梳理，掌握各类方法的核心思想与理论。

总之，对于新能源固废处置这个新兴且快速发展的行业，教学内容不应该局限于课本，而应该更加注重实践和跨学科的融合。新能源固废处置是一个多领域交叉的复杂问题，涉及环境、化工、材料等众多学科。只有将这些领域有机地结合起来，才能培养出具备综合素养的专业人才。

（二）  加强实验教学

固体废弃物的处理与处置是一个实践学科，不仅要打好学生的理论基础，更要使学生学会理论指导实践，提高学生的动手能力，真切感受废物处置的各个环节[10]，并为将来学生走向岗位为社会解决实际问题而打下坚实基础。由图2可知，以废弃锂离子电池的回收为例，提出了新能源固废的实验设计方案，以提高学生对废旧锂离子电池的理解，直观地感受锂离子电池的组成及回收流程。

1  固体废物性质分析

与传统固废不同，新型电力固废的组成相对简单，杂质含量低。但以锂离子电池为例，除传统固废的pH、含水率、可燃分等指标，还需要检测如荷电状态、有机物成分其他多种待测的指标。由于固相检测方法与水相完全不同，掌握以上指标的检测对于固体废物性质的分析至关重要。因此，需设计相关实验，使学生掌握以上指标的测试分析方法。

图2  废旧锂离子电池回收实验流程

该实验主要让学生掌握废旧锂离子电池荷电状态检测方法，正负极材料成分分析方法。采用万用表可以测定电芯的电压情况，初始测量后将电芯转移至饱和氯化钠溶液中进行放电，以消除剩余电荷防止在拆解过程中短路起火。静置放电后再次对剩余电压进行测量，以保证其放电完全。此过程中学生需掌握锂离子电池的工作原理、短路原理以及放电过程中溶液内的主要化学反应，进而对锂离子电池有全面的认知。放电后使用工具拆解电芯，手动分离其中的各个组分。由图3可知，废旧电芯各组分由以铝箔为基体的正极片、以铜箔为基体的负极片、隔膜和钢壳等组成。取正极片于管式炉中500 ℃真空热解2 h以去除极片上的黏结剂（注意该过程需要做好通风与尾气处理工作，保证学生的安全与健康），待冷却后取出可将正极粉末从极片上刮取下来，学生可采用X射线衍射仪对其进行物相组成分析。拆解及分析过程中需要学生掌握锂离子电池的组成结构、黏结剂热解去除原理、电极材料物相组成分析方法等。

图3  废旧锂离子电池的主要组成

2  正极材料浸出实验

如前文所述，正极材料作为锂离子电池各组分中成本最高的部分，具有极大的回收价值。在理论课的基础上，学生已对正极材料有了一定的认识，但对其回收方法，还需要以实验课的形式来理解学习。湿法酸浸是正极材料回收的主要手段，该实验通过硫酸与双氧水的协同作用，用于浸出磷酸铁锂电池正极粉末，使用原子吸收分光光度计测量浸出液中的金属元素比重，并计算浸出率。通过该实验，使学生理解酸浸出的基本原理，双氧水在该体系内的作用，学习浸出率的计算方法。此外，由于浸出过程需要控制终点pH，因此需要学生在浸出过程中使用pH计监测溶液的实时pH，并根据反馈数据不断调整硫酸用量保证其稳定浸出。该实验中pH监测和金属离子监测分别需要用到pH计和原子吸收分光光度计，学生可进一步学习其原理与使用方法。

3  沉锂实验

在正极材料的回收中，由于锂的战略地位和高昂的价格，锂元素的回收是最重要的部分。在上述浸出实验完成后，金属元素被浸出至酸溶液中，需要采取化学沉淀的方法对体系内的金属进行分离提纯。以磷酸铁锂浸出液为例，体系中含有少量的铁元素，在沉锂实验开始前需要除铁。采用NaOH溶液调节溶液pH至4～5，此时铁元素发生水解沉淀为氢氧化铁而被分离去除。在该过程中，学生可学习除铁原理及实验操作。除铁后的溶液需加入沉淀剂碳酸钠将碳酸锂沉淀分离，分离后洗涤干燥即得到碳酸锂产品。学生需要检测溶液中的锂含量并根据沉锂原理计算碳酸钠的添加量。最后可对收集得到的产品进行纯度检测与计算，掌握碳酸锂产品质量的评价指标。

理论是实践的基础，但理论应用于实践才能发挥其指导作用，在充分传授理论知识的基础上，学校可设立部分专项基金，鼓励学生自主实践，并在实践中加以指导。在老师的指导下，学生自行发现问题、解决问题，锻炼学生独立思考的能力。

（三）  丰富教学形式

固体废物处理与处置课程是一门综合性科目，不能一味地灌输理论知识，其多数经验与技术来源于实际案例，因此，教学的重点是以实际工程为范本，分析固废处置的各种方式，并以课堂理论为基础，掌握每种技术的主要原理[11]。此外，在新能源行业快速发展的背景下，教科书的更新不能与实际发展速度匹配，这就需要借助网络来寻找最新的实际案例，并分析其与传统处置方法的异同，在原理上分析新工艺的主要优势，使学生思想与时俱进。

以锂离子电池回收为例，学生既需要了解锂离子电池的组成和工作原理，还需要了解该行业的发展现状，以上内容范围广，涵盖多个学科的基础知识，无法直接在课本中呈现。而借助网络，既可以直观地感受锂离子电池的工作原理，也可以更形象地了解其组成结构。在锂离子电池回收行业，国内外多家企业采取不同的回收工艺路线，学生无法到达现场参观，可以借助线上视频的方式，对每条工艺路线加以理解。同时，线下理论课中，教师对于典型工艺或案例在原理上同学生一起分析，增强课堂互动，发散学生思维，进而加深学生对各种工艺的理解。