CN102251097B - 一种从废旧锂电池中回收金属的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种从废旧锂电池中回收金属的方法，其特征是，包括放电处理、破碎、筛分、筛上物磁选分离，然后分别对筛上钢壳和筛下物进行真空热处理和熔炼，筛下物熔炼时加入熔剂和焦炭，其各组分重量百分比为：筛下物50-97％、熔剂3-30％、焦炭0-20％。与现有技术相比，本发明的优点是：1)该方法具有设备工艺简单、贵重金属提取率高等优点，特别适合储氢合金生产企业对锂离子电池中的金属进行回收处理。2)可以从废旧锂离子电池中提取铁镍基合金和钴基合金。3)整个回收过程中不使用酸和有机溶剂，通过物理分选的方法将有机物与含金属的物质进行有效分离，不会产生有机物焚烧的烟气等污染，是一种安全环保的废旧电池处理方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种从废旧锂电池中回收金属的方法。
背景技术
随着社会和科技的进步，人类对移动电话、笔记本电脑等各种移动电子设备的需求日趋增加。锂离子电池具有能量密度高、输出电压高、循环寿命长、自放电率小、无记忆效应、可做成任何形状等诸多优点，目前已广泛应用于各种移动电子设备。
废旧锂离子电池中含有钴、铜、镍、铝、铁等多种有价值的金属元素，如果随意丢弃不仅会造成资源的严重浪费，也会给环境造成污染。对废旧锂离子电池进行回收处理，提取其中的金属，加以循环利用，是最理想的可持续发展方向。锂离子电池都是由钴酸锂正极、碳素材料负极、隔膜有机物、电解液、正负极集流体、防爆片、密封圈、顶盖、外壳等组成，这其中包括金属氧化物、碳素化合物、有机物、碱溶液、合金等各种性质完全不同的物质。因此，废旧锂离子电池的处理是一个极其复杂的过程，如果技术水平达不到处理要求，往往会在处理过程中造成更大的环境污染。因此，迫切需要开发一种简单高效、安全环保的废旧电池处理工艺，在回收金属的同时，避免环境污染，最终实现资源循环利用的可持续发展。
发明内容
本发明的目的是提供一种从废旧锂电池中回收金属的方法，设备工艺简单、无烟尘污染，实现贵重金属资源的循环利用。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种从废旧锂电池中回收金属的方法，包括放电处理、破碎、筛分、筛上物磁选分离、热处理和熔炼工序，先将回收的锂电池放入盛有电解液的槽中，使电池中的残余电量充分放净，用密封破碎机将废旧电池破碎，破碎尺寸要求小于50mm，用1～20mm的筛子将上述破碎后的物质进行筛分，筛下物为以负极和正极为主的较细颗粒，主要成分以金属氧化物、金属部件、碳素材料及碳类化合物为主，筛上物为以隔膜有机物和钢壳为主的较大片状物，对筛上物进行磁选分离，使钢壳与隔膜有机物分离，然后分别将筛上钢壳和筛下物放入热处理炉中进行真空热处理以脱除水分，然后分别对热处理后的筛下物和筛上钢壳进行熔炼：
A、所述热处理后的筛下物熔炼的具体操作步骤如下：
1)将热处理后的筛下物、熔剂、还原剂焦炭放入真空熔炼炉坩埚中，其各组合物按重量百分比为：热处理后的筛下物50～97％、熔剂3～30％、焦炭0～20％，三种组合物之和为100％；
所述熔剂为CaO或CaO与MgO、SiO2、Al2O3及B2O3中的一种或一种以上组合，其中各组分按重量百分比计算，CaO≥50％、MgO≤20％、SiO2≤20％、Al2O3≤10％、B2O3≤10％；
所述坩埚为石墨坩埚、钨坩埚、氮化硼坩埚中的一种；
2)将真空熔炼炉抽真空，真空度＜0.5Pa，向真空熔炼炉内充入惰性气体，控制充气压力为-0.09MPa～-0.03Mpa；
3)真空熔炼炉加热至1800～2800℃，直至物料全部熔化；
4)将完全熔化的物料，倒入浇铸包中；
5)待冷却至物料温度小于200℃后，取出浇铸包，拨除上面的炉渣，即可得到钴基合金；
B、所述热处理后的筛上钢壳熔炼的具体操作步骤如下：
1)将热处理后的筛上钢壳放入真空熔炼炉坩埚中，所述坩埚为刚玉坩埚、氧化镁坩埚、氧化钇坩埚、氧化锆坩埚、石墨坩埚中的一种；
2)将真空熔炼炉抽真空，真空度小于0.5Pa，向真空熔炼炉内充入惰性气体，控制充气压力为-0.097MPa～-0.05MPa；
3)真空熔炼炉加热至1500～2500℃，直至物料全部熔化；
4)将完全熔化的物料，倒入水冷的浇铸模中；
5)待冷却至物料温度小于100℃后，取出浇铸模中的合金，即可得到铁镍合金。
所述真空熔炼炉为感应熔炼炉、电弧炉或微波加热炉。
所述惰性气体为氮气、氩气、氦气、二氧化碳中的一种或一种以上。
所述磁选分离设备为永磁磁选机、电磁磁选机或磁滚筒，磁场强度为1000～10000Gs。
所述筛上钢壳热处理条件为：在真空热处理炉中，真空度小于5Pa，加热300～1000℃，保温2～10小时，所述热处理炉为连续式热处理炉或间歇式热处理炉。
所述筛下物热处理条件为：在真空热处理炉中，真空度小于5Pa，加热100～1000℃，保温1～10小时，所述热处理炉为连续式热处理炉或间歇式热处理炉。
所述破碎过程在气氛保护下进行，保护气氛为氮气、氩气、氦气、二氧化碳或液氮中的一种或一种以上。
所述密封破碎机破碎方式采用剪切破碎、冲击破碎、劈裂破碎、研磨破碎或弯曲破碎中的一种或一种以上。
所述电解液是NaCO3、KCO3、NaOH或KOH溶液中的一种或一种以上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)该方法具有设备工艺简单、贵重金属提取率高等优点，特别适合储氢合金生产企业对锂离子电池中的金属进行回收处理。
2)可以从废旧锂离子电池中提取铁镍基合金和钴基合金。
3)整个回收过程中不使用酸和有机溶剂，通过物理分选的方法将有机物与含金属的物质进行有效分离，不会产生有机物焚烧的烟气等污染，是一种安全环保的废旧电池处理方法。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步说明：
取30Kg的废旧锂电池，放入盛有电解液的槽中，使电池中的残余电量充分放净，用密封破碎机将废旧电池破碎，破碎尺寸要求小于50mm，用1～20mm的筛子将上述破碎后的物质进行筛分，筛下物为以负极和正极为主的较细颗粒，主要成分以金属氧化物、金属部件、碳素材料及碳类化合物为主，筛上物为以隔膜等有机物和钢壳为主的较大片状物，对筛上物进行磁选分离，使钢壳与隔膜等有机物分离，分别将钢壳和筛下物放入热处理炉中进行真空热处理脱除水分，得到有机固形物5.3Kg、热处理后的筛下物13.3Kg和热处理后的筛上钢壳6.1Kg。
其中磁选分离设备选用永磁磁选机、电磁磁选机或磁滚筒中的一种，磁场强度为1000～10000Gs。破碎过程还可以在气氛保护下进行，保护气氛为氮气、氩气、氦气、二氧化碳或液氮中的一种或一种以上。密封破碎机破碎方式采用剪切破碎、冲击破碎、劈裂破碎、研磨破碎或弯曲破碎中的一种或一种以上。
筛上钢壳热处理条件为：在连续式或间歇式真空热处理炉中，真空度小于5Pa，加热300～1000℃，保温2～10小时。
筛下物热处理条件为：在连续式或间歇式真空热处理炉中，真空度小于5Pa，加热100～1000℃，保温1～10小时。
将热处理后的筛上钢壳放入真空熔炼炉进行熔炼，其具体操作步骤如下：
1)将筛上钢壳放入真空熔炼炉刚玉坩埚中；2)将真空熔炼炉抽真空，真空度小于0.5Pa，向真空熔炼炉内充入惰性气体，控制充气压力为-0.097MPa～-0.05MPa；3)真空熔炼炉加热至1500～2500℃，直至物料全部熔化；4)将完全熔化的物料，倒入水冷的浇铸模中；5)待冷却至物料温度小于100℃后，取出浇铸模中的合金，即可得到铁镍基合金，其成分测试结果见表1。将热处理后的筛下物分为6份，按照下述实施例的具体步骤进行熔炼。
实施例1
1)按重量百分比例取95％热处理后的筛下物和5％熔剂，在真空熔炼炉的石墨坩埚中熔炼，真空熔炼炉真空度＜0.5Pa，向真空熔炼炉内充入氮气，控制充气压力为-0.09MPa～-0.03Mpa；3)真空熔炼炉加热至1800～2800℃，直至物料全部熔化；4)将完全熔化的物料，倒入浇铸包中；5)待冷却至物料温度小于200℃后，取出浇铸包，拨除上面的炉渣，即可得到钴基合金。
实施例2
按重量百分比例取90％热处理后的筛下物、8％熔剂、2％焦炭，在真空熔炼炉的钨坩埚中熔炼，真空熔炼炉真空度＜0.5Pa，向真空熔炼炉内充入二氧化碳，控制充气压力为-0.09MPa～-0.03Mpa；3)真空熔炼炉加热至1800～2800℃，直至物料全部熔化；4)将完全熔化的物料，倒入浇铸包中；5)待冷却至物料温度小于200℃后，取出浇铸包，拨除上面的炉渣，即可得到钴基合金。
实施例3
按重量百分比例取82％热处理后的筛下物、12％熔剂、6％焦炭，在真空熔炼炉的石墨坩埚中熔炼，真空熔炼炉真空度＜0.5Pa，向真空熔炼炉内充入氮气，控制充气压力为-0.09MPa～-0.03Mpa；3)真空熔炼炉加热至1800～2800℃，直至物料全部熔化；4)将完全熔化的物料，倒入浇铸包中；5)待冷却至物料温度小于200℃后，取出浇铸包，拨除上面的炉渣，即可得到钴基合金。
实施例4
按重量百分比例取72％热处理后的筛下物、18％熔剂、10％焦炭，在真空熔炼炉的石墨坩埚中熔炼，真空熔炼炉真空度＜0.5Pa，向真空熔炼炉内充入二氧化碳，控制充气压力为-0.09MPa～-0.03Mpa；3)真空熔炼炉加热至1800～2800℃，直至物料全部熔化；4)将完全熔化的物料，倒入浇铸包中；5)待冷却至物料温度小于200℃后，取出浇铸包，拨除上面的炉渣，即可得到钴基合金。
实施例5
按重量百分比例取60％热处理后的筛下物、25％熔剂、15％焦炭，在真空熔炼炉的石墨坩埚中熔炼，真空熔炼炉真空度＜0.5Pa，向真空熔炼炉内充入氩气，控制充气压力为-0.09MPa～-0.03Mpa；3)真空熔炼炉加热至1800～2800℃，直至物料全部熔化；4)将完全熔化的物料，倒入浇铸包中；5)待冷却至物料温度小于200℃后，取出浇铸包，拨除上面的炉渣，即可得到钴基合金。
实施例6
按重量百分比例取50％热处理后的筛下物、30％熔剂、20％焦炭，在真空熔炼炉的石墨坩埚中熔炼，真空熔炼炉真空度＜0.5Pa，向真空熔炼炉内充入氦气，控制充气压力为-0.09MPa～-0.03Mpa；3)真空熔炼炉加热至1800～2800℃，直至物料全部熔化；4)将完全熔化的物料，倒入浇铸包中；5)待冷却至物料温度小于200℃后，取出浇铸包，拨除上面的炉渣，即可得到钴基合金。
上述实施例中，熔剂为CaO或CaO与MgO、SiO2、Al2O3及B2O3中的一种或一种以上组合，其中各组分按重量百分比计算，CaO≥50％、MgO≤20％、SiO2≤20％、Al2O3≤10％、B2O3≤10％；真空熔炼炉为感应熔炼炉、电弧炉或微波加热炉。电解液是NaCO3、KCO3、NaOH或KOH溶液中的一种或一种以上。
钴基合金和炉渣成分测试在岛津公司生产的电感耦合等离子体发射光谱(ICP)仪上进行，成分测试结果见表2、表3。
表1铁镍基合金成分
| 元素名称 | 重量百分含量(wt.％) |
| Fe | 81.3 |
| Ni | 11.9 |
表2钴基合金成分测试
| 实例 | Co | Ni | Cu | Al | Fe |
| 实施例1 | 71.36 | 1.63 | 13.59 | 7.89 | 4.03 |
| 实施例2 | 72.13 | 1.58 | 13.87 | 7.36 | 3.93 |
| 实施例3 | 70.56 | 1.53 | 14.07 | 8.12 | 4.16 |
| 实施例4 | 70.89 | 1.43 | 13.91 | 7.66 | 4.23 |
| 实施例5 | 73.16 | 1.52 | 14.16 | 7.39 | 4.32 |
| 实施例6 | 71.56 | 1.39 | 13.69 | 8.23 | 3.86 |
表3炉渣中杂质金属成分测试
| 实例 | Co | Ni | Cu | Al | Fe |
| 实施例1 | 0.53 | 0.35 | 0.43 | 0.34 | 0.34 |
| 实施例2 | 0.47 | 0.28 | 0.37 | 0.37 | 0.29 |
| 实施例3 | 0.46 | 0.22 | 0.29 | 0.44 | 0.35 |
| 实施例4 | 0.37 | 0.37 | 0.36 | 0.33 | 0.41 |
| 实施例5 | 0.36 | 0.31 | 0.43 | 0.41 | 0.39 |
| 实施例6 | 0.29 | 0.38 | 0.23 | 0.28 | 0.38 |
由上述实施情况可知，本方法可以有效地将废旧锂电池中的有机物和含金属的物质进行物理分离。熔炼后的铁镍基合金中铁、镍的重量百分含量超过90％；在对废旧锂电池热处理后的筛下物处理中，熔炼后得到的钴基合金中钴重量百分含量达到了70％以上；炉渣中钴、镍、铜、铝、铁等杂质元素的重量百分含量小于1％，表明金属元素的回收率达到了99％以上。
Claims (8)
1.一种从废旧锂电池中回收金属的方法，其特征在于，包括放电处理、破碎、筛分、筛上物磁选分离、热处理和熔炼工序，先将回收的锂电池放入盛有电解液的槽中，使电池中的残余电量充分放净，用密封破碎机将废旧电池破碎，破碎尺寸要求小于50mm，用1～20mm的筛子将上述破碎后的物质进行筛分，筛下物为以负极和正极为主的较细颗粒，主要成分以金属氧化物、金属部件、碳素材料及碳类化合物为主，筛上物为以隔膜有机物和钢壳为主的较大片状物，对筛上物进行磁选分离，使钢壳与隔膜有机物分离，然后分别将筛上钢壳和筛下物放入热处理炉中进行真空热处理以脱除水分，然后分别对热处理后的筛下物和筛上钢壳进行熔炼：
A、所述热处理后的筛下物熔炼的具体操作步骤如下：
1）将热处理后的筛下物、熔剂、还原剂焦炭放入真空熔炼炉坩埚中，其各组合物按重量百分比为：热处理后的筛下物 50～97%、熔剂3～30%、焦炭 0～20%，三种组合物之和为100%；
所述熔剂为CaO或CaO与MgO、SiO2、Al2O3及B2O3中的一种或一种以上组合，其中各组分按重量百分比计算，CaO≥50%、MgO≤20%、SiO2≤20%、Al2O3≤10%、B2O3≤10%；
所述坩埚为石墨坩埚、钨坩埚、氮化硼坩埚中的一种；
2）将真空熔炼炉抽真空，真空度＜0.5Pa，向真空熔炼炉内充入惰性气体，控制充气压力为-0.09MPa～ -0.03Mpa；
3）真空熔炼炉加热至 1800～2800℃，直至物料全部熔化；
4）将完全熔化的物料，倒入浇铸包中；
5）待冷却至物料温度小于200℃后，取出浇铸包，拨除上面的炉渣，即可得到钴基合金；
B、所述热处理后的筛上钢壳熔炼的具体操作步骤如下：
1）将热处理后的筛上钢壳放入真空熔炼炉坩埚中，所述坩埚为刚玉坩埚、氧化镁坩埚、氧化钇坩埚、氧化锆坩埚、石墨坩埚中的一种；
2）将真空熔炼炉抽真空，真空度小于0.5Pa，向真空熔炼炉内充入氮气，控制充气压力为-0.097MPa～ -0.05MPa；
3）真空熔炼炉加热至 1500～2500℃，直至物料全部熔化；
4）将完全熔化的物料，倒入水冷的浇铸模中；
5）待冷却至物料温度小于100℃后，取出浇铸模中的合金，即可得到铁镍合金。
2.根据权利要求1所述的一种从废旧锂电池中回收金属的方法，其特征在于，所述真空熔炼炉为感应熔炼炉、电弧炉或微波加热炉。
3.根据权利要求1所述的一种从废旧锂电池中回收金属的方法，其特征在于，所述的氮气还可用氩气、或氦气、或二氧化碳替代。
4.根据权利要求1所述的一种从废旧锂电池中回收金属的方法，其特征在于，所述磁选分离设备为永磁磁选机、电磁磁选机或磁滚筒，磁场强度为1000～10000Gs。
5.根据权利要求1所述的一种从废旧锂电池中回收金属的方法，其特征在于，所述筛上钢壳热处理条件为：在真空热处理炉中，真空度小于5Pa，加热300～1000℃，保温2～10小时，所述热处理炉为连续式热处理炉或间歇式热处理炉。
6.根据权利要求1所述的一种从废旧锂电池中回收金属的方法，其特征在于，所述筛下物热处理条件为：在真空热处理炉中，真空度小于5Pa，加热100～1000℃，保温1～10小时，所述热处理炉为连续式热处理炉或间歇式热处理炉。
7.根据权利要求1所述的一种从废旧锂电池中回收金属的方法，其特征在于，所述破碎过程在气氛保护下进行，保护气氛为氮气、氩气、氦气、二氧化碳。
8.根据权利要求1所述的一种从废旧锂电池中回收金属的方法，其特征在于，所述密封破碎机破碎方式采用剪切破碎、冲击破碎、劈裂破碎、研磨破碎或弯曲破碎中的一种或一种以上。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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Granted publication date: 20120926 Termination date: 20200708 |