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废旧锂电池回收流程及工艺研究
论文作者:童鞋论文网  论文来源:www.txlunwenw.com  发布时间:2019/8/13 8:52:50  

摘要:本项目针对废旧锂电池的处理需求展开研究,通过科学的系统来对正极材料进行可靠分离,而后又展开了深入提取工作,化解了电池处理环节中的安全风险,不仅提升了回收利用锂电池的安全性与效率,还创造了更高的生产效益与环保效益。在日后还需对回收处理系统进行进一步的优化,将多种可用的工艺手段结合使用,从而消除成本偏高、废气污染等方面的问题,尽早实现锂电池处理回收系统一体化与工业化的发展目标。

关键词:废旧锂电池; 资源化; 回收利用; 工艺手段;

0 引言

锂电池是一种对环境友好型电池,因其性能方面的优势,实际使用量呈现出了上升趋势,相对地,废旧电池的数量也在持续增加。为避免环境污染问题扩大化,废旧锂电池回收处理的推进工作势在必行。考虑到我国当前钴资源较为欠缺,本文基于实际项目,通过先进资源回收工艺技术实现电极金属材料再利用,希望能为相似工程起到借鉴作用。

1 项目概况

锂电池含有钴与锂等具有回收价值的金属,通过回收工艺,可形成资源循环利用系统。基于调试回收利用锂电池的流水线、调试记录情况,确定了此回收系统的实际可用性。本文站在如何有效获取电池电极材料中金属物质的角度,确定各类工艺方案的实际可行性,形成安全、可有效发挥作用的处理方案,从而完成锂电池回收工作。

2 电池概述

2.1 结构组成

锂电池主要由电芯与外壳共同构成。电芯中有隔离膜与正负极:正极活性材料中有碳黑导电剂、钴酸锂粉末与有机粘合剂,这些材料被直接涂附在铝片材质的集电体部位;负极活性材料主要成分为碳素粉末,除此之外还有较少的粘合剂,材料涂附于铜片集电体中。锂电池在进行多次充放电活动之后,会出现容量降低、电极膨胀的现象,最终报废[1]。

2.2 回收特点分析

锂电池的实际构成成分较为复杂,如果回收处理不当将会带来严重的二次污染问题,同时也具有一定程度的危险性。锂电池内部部分物质在接触水之后会形成水解反应,产生剧毒气体,高分子膜与电解质在温度条件达到300℃后甚至有可能出现燃烧的现象,加热与破碎电池后会出现短路放电情况,严重时还会形成爆炸或者毒气事件[2]。

3 废旧锂电池回收流程及工艺

图1 回收处理流程图

3.1 流程设计

回收处理流程图请参见图1。利用本回收处理系统可以在一定程度上为分离环节中的能量消耗量的缩减提供帮助。通过下文回收系统,所得到的钴酸锂粉末的实际纯度接近90%,甚至可以被直接应用到产品原料中进行生产,初步实现了减量化、无害化与资源化的回收处理要求。

3.2 内容物获取

首先,需要对获取的废弃电池进行分类,获取锂离子电池。通过启动破壳机设备,来对电池外部的外壳实施破碎处理,从而获取锂电池内部的内容物,塑料外壳与金属材料将被分离,进行下一步处理处理。正极活性物质包括锰酸锂、镍酸锂与钴酸锂;负极活性物质有软碳、硬碳与石墨;电解质盐可直接在电解液中溶解。

3.3 物理分选:正极材料

首先,对从锂电池内部获得的内容物开展物理分选,主要收集铝质正极片与活性涂层,铜质负极片与涂层将进行另外处理。随后,将正极片与涂层输送到破碎装置内,实施破碎处理,处理之后可以获得正极粉末与铝质颗粒的混合物。最后,对颗粒混合物进行精细化过筛操作,从而分离混合在一起的正极粉末与铝质颗粒。

3.4 材料分析与深度提纯工艺

完成前期简单的分离处理之后,可继续对获取的材料进行深度提纯处理,此处可以使用浸出液合成电极材料方法、沉淀法或者有机萃取法。

通过浸出液来对电极材料进行合成,使浸出液参与到化学活动中,将柠檬酸或者NaCO3物质添加到正极材料的浸出液之中,一定时间后会,溶液内会出现沉淀现象。随后,运用烘干或者过滤等常规方法,可以取得浸出液中的沉淀粉体,再使用高温处理的方法,就可以获取含有Li元素的电极材料。以镍钴锰酸锂三元物质的制备为例:其浸出液添加物质为CoSO4、NiSO4、MnSO4,将摩尔比控制到1:1:1,随后使用高温焙烧处理方法,则可以得到该物质沉淀粉体。这种方法操作过程简单,可以使回收率维持在较高的水平线上,使产品维持较高的性能,但是这种方法的消耗能量较大,还存在二次污染的风险,相对而言,可行性较低。

使用沉淀法时需要运用沉淀剂来影响浸出液,使液体中的金属离子形成沉淀从中析出,从而对沉淀物进行回收处理。这种方法的应用频率较高,相关的研究成果也比较多。在对正极材料中的Li2CO3进行回收时,主要使用浓缩处理手段,将浓缩后的原料存放到水浴锅中,调节温度至85℃,进行加热之后搅拌原料,而后加入碱液与草酸物质,达到除杂的技术目的,溶液的pH值需保持在10,反应时间达30min之后,进行过滤处理,将具有吸附性的络合剂与碳粉添加到滤液中,搅拌时间设定为20min,进行过滤,将具有一定浓度的Na2CO3与滤液混合,提升温度至95℃,反应时间为40min,随后进行过滤操作。在最后的环节中,应使用去离子水来完成滤饼洗涤工作,烘干后即可获得Li2CO3。在使用这种方法展开回收工作时,单次回收锂的回收率可超过80%,综合回收率接近100%。通过运用沉淀剂可使金属离子以沉淀物的方式有效析出,但运用这种方法时的问题也比较明显,试剂使用量也需要按比例增加,而作为沉淀物的金属多为复合物,后续利用与分离工作的开展难度均比较高[3]。

有机萃取法需要使用者选用由多种有机溶剂构成的混合物或者单独的溶剂,在与金属离子进行反应之后,可生成配合物,配合物内部的金属离子可直接转移到其他的有机溶剂中,达到提纯分离的处理目的。这种方法的应用过程相对简单,可确保金属资源的高回收率,最终的产物也具有较高的纯度,但是需要对有机溶剂的成本进行关注,除了价格偏高之外,对于人体与环境都存有危害,回收有机溶剂的难度较高,形成工业化系统的需求难以被满足,需要从提升效率与降低应用成本两方面来改进这一方法。

4 新旧工艺对比分析

随着对回收处理与应用锂电池工艺手段的不断研究,在原有手段的基础上,新的回收工艺也逐步形成,研究重点转移到修复锂电池的正极,使存在容量衰退问题的锂电池也可被有效使用,同时可以降低电池的制备成本。再制造技术属于新型回收工艺,通过先进的脉冲激光技术可对电极片进行清洗,去除钝化膜,细化电池内部有回收价值的粒子,改善电极的实际质量,在运用这种新的工艺方法时需要控制所用的能量,否则会降低再造电池的能力。相比原有的回收工艺技术,新的工艺手段帮助缩减了电池的成本,使电池维持更长的应用周期,帮助节省了资源,消除环境污染。但是,新工艺还不够成熟,缺陷尚且存在,较投产应用的目标还存在着一段不短的距离,持续优化改进工作尚需推进。

5 结论

本项目针对废旧锂电池的处理需求展开研究,通过科学的系统来对正极材料进行可靠分离,而后又展开了深入提取工作,化解了电池处理环节中的安全风险,不仅提升了回收利用锂电池的安全性与效率,还创造了更高的生产效益与环保效益。在日后还需对回收处理系统进行进一步的优化,将多种可用的工艺手段结合使用,从而消除成本偏高、废气污染等方面的问题,尽早实现锂电池处理回收系统一体化与工业化的发展目标。

参考文献

[1] 杨光, 张鹏, 钟岸, et al.废旧锂离子动力电池的回收研究进展[J].广东化工, 2018.

[2] 杨宇, 梁精龙, 李慧, et al.废旧锂离子电池回收处理技术研究进展[J].矿产综合利用, 2018, 214 (06) :12-17.

[3] 李建波, 徐政, 纪仲光, et al.废旧锂离子动力电池回收的研究现状[J].稀有金属, 2019 (2) :201-212.

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