CN102347521A - 一种电动汽车用动力型锰酸锂电池中锰和锂的回收方法 - Google Patents

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欧彦楠
余海军
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Abstract

本发明公开了一种电动汽车用动力型锰酸锂电池中锰和锂的回收方法，包含以下步骤：1）将废旧锂离子电池放电后，拆解去掉外壳，得到正极部分；2）除去正极部分的有机粘合剂，得到动力型锰酸锂正极材料；3）在上步得到的无机材料中加入酸和还原剂，使其溶解并过滤除去不溶物乙炔黑，得滤液；4）以上步得到的滤液为电解液，钛片为工作电极，石墨棒为对电极，控制恒电流密度300-800A/m2，温度为60-80℃，进行电化学沉积5-8h，得到二氧化锰固体；5）调节上步余液的pH为9-10，过滤得到沉淀物和滤液；6）在上步得到的滤液中加入浓度为30-40wt%的碳酸钠溶液，直至沉淀完全，过滤，洗涤，干燥，得到碳酸锂固体。本发明利用电化学沉积法回收MnO2，绿色环保，同时回收了高纯度碳酸锂固体。

Description

一种电动汽车用动力型锰酸锂电池中锰和锂的回收方法
技术领域
本发明涉及一种电动汽车用动力型锰酸锂电池中锰和锂的回收方法。
背景技术
锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、快速充电、无记忆效应等优点，广泛应用于移动电话、摄像机、笔记本电脑等便携式数码产品，其中动力型锰酸锂电池，更是目前电动汽车首选的动力能源之一。
锂离子电池在生产过程中组装不好，或者在使用过程中充放电一定次数后，会发生电极膨胀，容量下降，最终报废。随着锂离子电池的使用量每年不断增长，报废的锂离子电池逐年大幅度地增长，尤其是在电动汽车渐渐起步发展的今天，报废的动力型锂离子电池也势必快速增加。市场上以锰酸锂为正极材料的锂离子电池比较多，其正极材料主要由作为集流体的纯铝箔、锰酸锂活性材料、乙炔黑导电剂和粘结剂组成。
动力型锰酸锂电池，与常规锰酸锂电池不同，为了改良电池的放电能力、循环寿命和振实密度等性能，其锰酸锂正极材料常常进行改性处理，如掺杂进镁、铝、铬元素。这使得回收锰酸锂增加了困难。重金属锰对环境造成严重危害，因此，对废旧锂离子电池或生产废料进行回收，不仅可以消除有害物质对环境的污染，还可以循环利用资源，在环境和经济方面具有重要意义。
目前有关锰酸锂的锂离子电池的回收方法主要有：
杨则恒等人的“一种自废旧锰酸锂电池正极材料中回收MnO2的方法及其应用”（CN101538655A），提出用水热法制备不同晶型的MnO2，可用于超级电容器电极材料等不同用途。但是该专利采用在反应釜中高温高压进行制备，需要控制的条件苛刻，不适用于大批量回收制备，而且该专利没有提出回收锂元素的方案。
刘志远的“一种自废旧锰酸锂电池中回收有价金属的方法”（CN101831548A），提出加入NaOH 生成Mn(OH)2沉淀，过滤分离出锰离子和锂离子，然后对滤渣Mn(OH)2高温煅烧得到MnO2，在含锂离子的滤液中加入Na2CO3得到LiCO3。该专利为得到MnO2，需要对Mn(OH)2高温煅烧，不仅增加了成本，而且加热产生了废气，造成环境的二次污染。
刘志远的“一种制备高电压正极材料锂镍锰氧的方法”（CN102157726），提出回收获得镍锰酸锂正极材料后，不经过分离，通过补充镍、锰、锂化合物，调节元素比例，再制备成新的镍锰酸锂正极材料。该专利不分离各个元素，不能分别对各个元素进行单独循环利用；每次制备都需要测定并严格控制元素比例，容易引起误差，导致难于保证每个批次的品质。
发明内容
本发明的目的是提供一种电动汽车用动力型锰酸锂电池中锰和锂的回收方法。
本发明所采取的技术方案是：
一种电动汽车用动力型锰酸锂电池中锰和锂的回收方法，包括以下步骤：
1）将废旧锂离子电池放电后，拆解去掉外壳，得到正极部分；
2）除去正极部分的有机粘合剂，得到动力型锰酸锂正极材料；
3）在上步得到的锰酸锂正极材料中加入酸和还原剂，使其溶解并过滤除去不溶物乙炔黑，得滤液；
4）以上步得到的滤液为电解液，钛片为工作电极，石墨棒为对电极，控制恒电流密度300-800 A/m2，温度为60-80℃，进行电化学沉积5-8 h，得到二氧化锰固体；
5）调节上步余液的pH为9-10，过滤得到沉淀物和滤液；
6）在上步得到的滤液中加入浓度为30-40wt%的碳酸钠溶液，直至沉淀完全，过滤，洗涤，干燥，得到碳酸锂固体。
步骤2）中，除去正极部分的有机粘合剂的方法为：将正极部分在300-500 ℃下加热30-60分钟，或者用有机溶剂浸泡1-2小时。
所述的有机溶剂为N, N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、四氢呋喃中的至少一种。
步骤3）中，所述的酸为2-5mol/L的盐酸、2-5mol/L的硝酸、1-3mol/L的硫酸中的至少一种，所述的还原剂为双氧水、亚硫酸钠或硫代硫酸钠中的一种。
将锰酸锂正极材料作为纯净锰酸锂计算，所用还原剂为双氧水时，所述的无机材料、酸中的H+、双氧水三者的物质的量之比为1:6-8:3-4；所用的还原剂为硫代硫酸钠时，无机材料、酸中的H+、硫代硫酸钠三者的物质的量之比为1:6-8:0.6-0.8；所用还原剂为亚硫酸钠时，所述的无机材料、酸中的H+、亚硫酸钠三者的物质的量之比为1:6-8:1.5-2。
本发明的有益效果是：
1、在回收处理获得锰酸锂正极材料的基础上，利用电化学沉积法制备MnO2，达到分离回收锰元素的目的。这种方法操作简单，一步完成，无需高温高压合成，也不经过高温煅烧产生二次污染，因而降低了成本，减少了环境污染。
2、动力型锰酸锂电池往往包含镁、铝、铬元素，由于锰与镁、铝、铬的氢氧化物都不溶于水，传统加碱沉淀法不能分离锰和掺杂元素。根据锰和掺杂元素的氧化还原电位不同，锰离子会优先被电化学沉积得到二氧化锰，达到分离锰和掺杂元素的目的。
3.本发明的回收方法同时得到纯度大于等于99.5%的碳酸锂固体。
具体实施方式
一种电动汽车用动力型锰酸锂电池中锰和锂的回收方法，包括以下步骤：
1）将废旧锂离子电池放电后，拆解去掉外壳，得到正极部分；
2）将正极部分在300-500℃下加热30-60分钟，或者在室温下用有机溶剂浸泡1-2小时，除去有机粘合剂，使铝箔脱离，得到动力型锰酸锂正极材料；
3）在上步得到的锰酸锂正极材料中加入酸和还原剂，使其溶解并过滤除去不溶物乙炔黑，得滤液；
4）以上步得到的滤液为电解液，钛片为工作电极，石墨棒为对电极，控制恒电流密度300-800A/m2，温度为60-80℃，进行电化学沉积5-8 h，得到二氧化锰固体；
5）调节上步余液的pH至9-10，过滤，得到沉淀物和含锂离子的滤液；
6）在上步得到的滤液中加入浓度为30-40wt%的碳酸钠溶液，直至沉淀完全，过滤，洗涤，干燥，得到碳酸锂固体。
步骤3）中，所述的酸为2-5mol/L的盐酸、2-5mol/L的硝酸、1-3mol/L的硫酸中的至少一种，所述的还原剂为双氧水、亚硫酸钠或硫代硫酸钠中的一种。
步骤3）中，将锰酸锂正极材料作为纯净锰酸锂计算，所用还原剂为双氧水时，所述的无机材料、酸中的H+、双氧水三者的物质的量之比为1:6-8:3-4；所用的还原剂为硫代硫酸钠时，无机材料、酸中的H+、硫代硫酸钠三者的物质的量之比为1:6-8:0.6-0.8；所用还原剂为亚硫酸钠时，所述的无机材料、酸中的H+、亚硫酸钠三者的物质的量之比为1:6-8:1.5-2。
下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明：
实施例1：
一种电动汽车用动力型锰酸锂电池中锰和锂的回收方法，包括以下步骤：
（1）将废旧锂离子电池放电后，拆解去掉外壳，得到正极部分；
（2）将正极部分在300℃下加热60分钟，除去有机粘结剂，使铝箔脱离，得到动力型锰酸锂正极材料；
（3）称取100 g上述锰酸锂正极材料，加入2L 2.0 mol/L盐酸和200 ml 30%双氧水，加热至60℃，并恒温搅拌2 h，使其溶解，过滤，除掉乙炔黑，得到含有锂离子、锰离子，以及镁离子、铝离子、铬离子等改性金属离子的滤液；
（4）以步骤（3）得到的滤液为电解液，钛片为工作电极，石墨棒为对电极，控制恒电流密度为300 A/m2，温度为60℃，进行电化学沉积8 h，得到二氧化锰固体；
（5）在步骤（4）的余液中，加入浓度为30% 的NaOH至pH为9，生成镁、铝或铬的氢氧化物沉淀，过滤，得到沉淀物和含锂离子的滤液；
（6）在步骤（5）的滤液中，加入浓度为30% 的Na2CO3溶液，生成碳酸锂沉淀，直到不再生成新的沉淀为止，过滤，洗涤，干燥，得到碳酸锂固体。
锰的回收率为95%；锂的回收率为90%，所得碳酸锂固体的含量为99.5%。
测试条件为：
电沉积前：锰酸锂正极材料中锰测定用硫酸亚铁铵滴定法（标准：YS/T 677-2008），锂测定采用ICP（标准：YS/T 677-2008）；
电沉积后：使用ICP方法测定步骤4）的余液中的二价锰离子浓度。
碳酸锂固体含量的测定采用GB-T11064.1-1989。
同样的测定方法标准适用于实施例2。
实施例2：
一种电动汽车用动力型锰酸锂电池中锰和锂的回收方法，包括以下步骤：
（1）将废旧锂离子电池放电后，拆解去掉外壳，得到正极部分；
（2）将正极部分在500℃下加热30分钟，除去有机粘结剂，使铝箔脱离，得到没有铝箔的锰酸锂正极材料；
（3）称取80 g上述锰酸锂正极材料，加入2L 1.5 mol/L硫酸和50 g硫代硫酸钠，加热至80 ℃，并恒温搅拌1 h，使其溶解，过滤，除掉乙炔黑，得到含有锂离子、锰离子，以及镁离子、铝离子、铬离子等改性金属离子的滤液；
（4）以步骤（3）得到的滤液为电解液，钛片为工作电极，石墨棒为对电极，控制恒电流密度为500 A/m2，温度为70℃，进行电化学沉积6 h，得到二氧化锰固体；
（5）在步骤（4）的余液中，加入浓度为40%的NaOH至pH为10，生成镁、铝或铬的氢氧化物沉淀，过滤，得到沉淀物和含锂离子的滤液；
（6）在步骤（5）的滤液中，加入浓度为40%的Na2CO3溶液，生成碳酸锂沉淀，直到不再生成新的沉淀为止，过滤，洗涤，干燥，得到碳酸锂固体。
锰的回收率为96%；锂的回收率为92%，所得碳酸锂固体的含量为99.7%。

Claims (5)

1.一种电动汽车用动力型锰酸锂电池中锰和锂的回收方法，其特征在于：包括以下步骤：
1）将废旧锂离子电池放电后，拆解去掉外壳，得到正极部分；
2）除去正极部分的有机粘合剂，得到动力型锰酸锂正极材料；
3）在上步得到的锰酸锂正极材料中加入酸和还原剂，使其溶解并过滤除去不溶物乙炔黑，得滤液；
4）以上步得到的滤液为电解液，钛片为工作电极，石墨棒为对电极，控制恒电流密度300-800 A/m2，温度为60-80℃，进行电化学沉积5-8 h，得到二氧化锰固体；
5）调节上步余液的pH为9-10，过滤得到沉淀物和滤液；
6）在上步得到的滤液中加入浓度为30-40wt%的碳酸钠溶液，直至沉淀完全，过滤，洗涤，干燥，得到碳酸锂固体。
2.根据权利要求1所述的一种电动汽车用动力型锰酸锂电池中锰和锂的回收方法，其特征在于：步骤2）中，除去正极部分的有机粘合剂的方法为：将正极部分在300-500℃下加热30-60分钟，或者在室温下用有机溶剂浸泡1-2小时。
3.根据权利要求2所述的一种电动汽车用动力型锰酸锂电池中锰和锂的回收方法，其特征在于：所述的有机溶剂为N, N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、四氢呋喃中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的一种电动汽车用动力型锰酸锂电池中锰和锂的回收方法，其特征在于：步骤3）中，所述的酸为2-5mol/L的盐酸、2-5mol/L的硝酸、1-3mol/L的硫酸中的至少一种，所述的还原剂为双氧水、亚硫酸钠或硫代硫酸钠中的一种。
5.根据权利要求4所述的一种电动汽车用动力型锰酸锂电池中锰和锂的回收方法，其特征在于：将锰酸锂正极材料作为纯净锰酸锂计算，所用还原剂为双氧水时，所述的无机材料、酸中的H+、双氧水三者的物质的量之比为1:6-8:3-4；所用的还原剂为硫代硫酸钠时，无机材料、酸中的H+、硫代硫酸钠三者的物质的量之比为1:6-8:0.6-0.8；所用还原剂为亚硫酸钠时，所述的无机材料、酸中的H+、亚硫酸钠三者的物质的量之比为1:6-8:1.5-2。
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