CN107317063B - 一种三元体系电池电容用正极的回收处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三元体系电池电容用正极的回收处理方法，属于电池电容技术领域。本发明的回收处理方法包括如下步骤，将废旧电池电容放电、拆解、去壳、分离正极片、负极片和隔膜；正极片切割后依次进行低温干燥、去离子水洗涤、中温干燥、去离子水洗涤、中高温干燥和高温保温；然后将正极片置于NMP溶剂中真空搅拌，得到含有铝箔碎片的浆料，过滤，得到回收的正极稀释浆料，该正极稀释浆料可直接用于电池电容正极浆料的配置。本发明无需使用大量有机溶剂，回收所得物料可直接用于电池电容正极浆料的配置，操作简单。

Description

一种三元体系电池电容用正极的回收处理方法

技术领域

本发明属于电池电容技术领域，涉及一种三元体系电池电容用正极的回收处理方法。

背景技术

随着三元电池材料的快速发展，每年的需求量达到几万吨，三元动力锂电池路线成为未来发展重心，无论是纯电动车还是3C领域，都已不再满足于纯粹的能量需求，开始在寿命与充电速度上寻求进一步拓展，三元体系的电池电容这种内并型混合超级电容器的必然成为研究重点。

研发量加大至扩大到产业化的同时，废旧三元电池电容产生成为必然，由于其中包含材料价值较高且部分元素对人体有害，其回收处理的必要性与重要性显而易见。目前关于镍钴锰体系的三元正极材料的回收处理的相关论文和专利已有一些，施平川的《废旧三元锂离子电池正极材料的回收技术》论文中提到废旧锂离子电池典型的回收的流程，包括以下几种：⑴粉碎、酸浸、热处理、化学沉淀，综合了机械、湿法、热处理等过程；⑵拆解、酸浸、化学沉淀和溶剂萃取，包含了机械拆解分离、电化学和热处理等过程；⑶拆解、化学沉淀、溶剂萃取；⑷拆解、酸浸、溶剂浸取、化学沉淀；⑸浸取、萃取、电泳；⑹拆解、电解液萃取、电极溶解、Co的电化学还原；⑺溶解、热处理、酸浸、化学沉淀；⑻粉碎、超声洗涤、酸浸和化学沉淀。

然而三元体系电池电容与锂离子电池相比，其电极中的碳含量相对较高，传统的锂电正极回收方法并不能满足电池电容的需要，且需使用大量化学试剂，操作繁杂容易造成二次污染。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了一种三元体系电池电容用正极的回收处理方法，无需使用大量有机溶剂，回收所得物料可直接用于电池电容正极浆料的配置，操作简单。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：

一种三元体系电池电容用正极的回收处理方法，所述回收处理方法包括如下步骤，

S1，将废旧电池电容充分放电，然后进行机械拆解，去除外壳，分离正极片、负极片和隔膜，得到正极片；

S2，将正极片切割后依次进行低温干燥、去离子水洗涤、中温干燥、去离子水洗涤、中高温干燥和高温保温；

S3，将步骤S2中处理过的正极片置于NMP溶剂中真空搅拌，得到含有铝箔碎片的浆料，过滤，得到回收的正极稀释浆料，该正极稀释浆料可直接用于电池电容正极浆料的配置。

本发明中的回收处理方法不需完成从应用链末端的废旧器件至应用链首端的活性物质原材料的获得的全过程，只需将回收接入点置于电池电容正极浆料预制处即可完成整条生产链的循环回收运转，减小了大量的人力、物力与资源浪费；并且无需使用过多有机溶剂，安全环保，最大限度利用废旧电池。

低温干燥用于去除留存在正极片表面的正极液中的有机溶剂，第一次去离子水洗涤用于洗去正极片表面上的离子及部分水溶性粘结剂；中温干燥用于进一步去除残留溶剂和水分，第二次去离子水洗涤用于进一步去除正极片中的离子和部分水溶性粘结剂；中高温干燥用于除去二次洗涤时留存在正极片上的水分，高温保温主要用于分解正极片上的残留粘结剂，并充分干燥，以便于后期操作。粘结剂去除后，正极片上的活性物质容易粉碎，水分的去除可以避免回收后的正极物质在重复利用时，其中的残留水分与电池电容中的锂盐产生反应生成HF，破坏SEI膜，引起二次成膜，加速正极材料在电解液中的溶解性，导致电池电容性能恶化。

本发明中的正极片上涂覆的正极材料是将正极粘结剂PVDF溶解在NMP溶剂中使用，因此将正极片置于NMP溶剂能快速分离铝箔和涂覆在铝箔上的正极材料。真空搅拌能高效率地混匀正极材料，不分层，避免空气的进入和气泡的产生导致电池电容内阻的增大。

作为优选，所述步骤S2中正极片切割时，切割后的正极片碎片边长不大于60mm。

将正极片切割成尺寸大小合适的碎片，有利于后期干燥、水洗和搅拌。

作为优选，所述步骤S2中低温干燥为在50～70℃下干燥20～28h；中温干燥为在100～140℃、-0.08～-0.03MPa真空压力下干燥20～28h；中高温干燥为在130～170℃下干燥10～14h；高温保温为在550～600℃、低于-0.09MPa真空压力下保温5～7h。

在50～70℃的较低温度下，可以尽可能多地将正极片上的有机溶剂缓慢蒸发出来除去，过高的温度容易导致表面的有机溶剂蒸发过快造成表面干结，内部的有机溶剂蒸发不出；在20～28h内，正极片上的有机溶剂基本能被完全除去。100～140℃下真空干燥可以在尽可能保持正极片原来内部结构不变的情况下较快的除去正极片中的水分，在20～28h内，正极片上的水分基本能被完全除去。130～170℃的中高温条件下可以将水分尽可能多除去。550～600℃保持5～7h能将正极片中的粘结剂分解蒸发除去，温度太低，粘结剂无法分解蒸发，温度太高，正极片中的碳类物质会发生氧化。

作为优选，所述步骤S2中的中温干燥为蒸汽喷射真空干燥。

蒸气喷射真空系统具有很强的抽气能力，能在较短时间内获得要求的真空压力。经去离子水洗涤后的正极片处在较湿的状态下，组织内部具有一定的致密性，外部的快速减压将使其内部相对处于高压力状态，正极片内部溶解的气体和部分快速汽化的游离水将冲破外层组织的阻碍逸出体外，使正极片形成无数的微孔状，为后序进一步快速干燥提供了有效的蒸发通道。因此蒸气喷射真空干燥后的正极片，其组织内部形成许多微孔状，整体呈膨化疏松体，有利于再次洗涤和后期粉碎。而且蒸气喷射真空干燥耗能小，成本低，能够排除易污染、磨损、腐蚀、爆炸的各种被抽气体。

作为优选，所述步骤S2中的中高温干燥分为非真空阶段和真空阶段。

作为优选，所述非真空阶段为在非真空条件下130～140℃干燥0.5～1h，真空阶段为在140～170℃、-0.08～-0.03MPa真空压力下干燥9.5～13h。

正极片在加热过程中，热量是从表面转移到内部，因此正极片表面温度先开始升高，随后内部温度才开始升高。在转入真空阶段前，如果立即抽真空，正极片表面水分将大量蒸发，容易产生较大的含水率梯度，使正极片表面干结、开裂，影响后期干燥效率，因此本发明在转入真空阶段前设一段0.5～1h的平衡时间，使正极片表面与内部的温度达到一致，以提高干燥效率，从而降低干燥后正极片中的水分。

作为优选，所述步骤S3中，正极片在NMP溶剂中的浓度为60～100g/L。

作为优选，所述步骤S3中，真空搅拌为在低于-0.09MPa真空压力下搅拌60～90min，搅拌速度为15～25r/min。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.不使用大量有机溶剂，安全环保，操作简单，不造成二次污染；

2.回收的物料可直接用于电池电容正极浆料的配置，不需完成从应用链末端的废旧器件至应用链首端的活性物质原材料的获得的全过程，减小了大量的人力、物力与资源浪费；

3.严格控制回收的物料的水分，从而提高使用回收物料制备的电池电容的性能；

4.最大限度回收废旧电池电容有效物质，具有较高的经济价值和社会效益，同时进一步完善未来电池电容的产业化体系。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

下面通过具体实施例对本发明中的回收处理方法作进一步解释。

实施例1～6

本发明中三元体系电池电容用正极的回收处理方法，包括如下步骤，

1.将废旧电池电容充分放电，然后进行机械拆解，去除外壳，分离正极片、负极片和隔膜，得到正极片；

2.将正极片切割为边长不大于60mm的碎片，在50～70℃下低温干燥20～28h，低温干燥后在去离子水中洗涤；然后进行中温干燥，中温干燥为蒸汽喷射真空干燥，干燥时间20～28h、温度100～140℃、真空压力-0.08～-0.03MPa，之后再次在去离子水中洗涤；再进行中高温干燥，中高温干燥分为非真空阶段和真空阶段，非真空阶段为在非真空条件下130～140℃干燥0.5～1h，真空阶段为在140～170℃、-0.08～-0.03MPa真空压力下干燥9.5～13h；最后进行高温保温，保温时间5～7h、温度550～600℃、真空压力低于-0.09MPa。

3.将正极片置于NMP溶剂中真空搅拌，正极片在NMP溶剂中的浓度为60～100g/L，真空搅拌的速度为15～25r/min，搅拌时间60～90min，真空压力低于-0.09MPa，得到含有铝箔碎片的浆料，过滤，得到回收的稀释浆料，稀释浆料可直接用于电池电容正极浆料的配置。

实施例1～6的回收处理方法中的各步骤的参数如表1所示。

表1：实施例1～6中各步骤参数

按重量份计，在实施例1～6中的60份回收的稀释浆料中添加50份正极活性物质碳基复合三元材料、3份PVDF、4份导电剂乙炔黑，真空搅拌均匀，制得电池电容用浆料。将该正极浆料涂布在铝箔上，烘干、辊压、裁切制得电池电容用正极，使用该正极制备成电池电容。

对比例1

中高温阶段为在140℃、-0.03MPa真空压力下干燥10h，其他与实施例1相同。

对比例2

不使用回收的稀释浆料制备的普通电池电容。

在25℃和30％相对湿度的环境下，取实施例1～6和对比例1～2中电池电容进行常温放电容量、倍率放电和循环性能的测试，每个测试进行三次，取平均值，测试结束，记录并计算测试值，结果如表1所示，测试方法如下：

(1)常温放电容量测试：

以1C电流充电至4.2V，然后以0.5C电流放电至3.0V。

(2)倍率放电测试：

以0.5C电流充电至4.2V，放置5min后，以0.5C电流放电至3.0V，记录放电容量，再放置5min，然后放电电流依次改为1C和2C，重复上述过程。以0.5C放电容量作为标准容量，按照下式计算放电率，

放电率(％)＝nC放电容量/0.5C放电容量×100％(n＝0.5，1，2)

(3)循环性能测试：

以1C恒流充电至4.2V之后，充电截止电流20mA，静置5min后，以1C放电至3.0V，测定得到初始放电容量。重复以1C恒流充电至4.2V；再以1C放电至3.0V的充放电过程，记录第500次循环后的放电容量，按照下式计算500次循环后的放电容量保持率，

放电容量保持率＝500次循环后放电容量/初始放电容量×100％。

将本发明实施例1～6中的电池电容的性能与对比例1～2中的进行比较，比较结果如表2所示。

表2：实施例1～6与对比例1～2中电池电容的性能的比较

综上所述，本发明中的回收处理方法不使用有机溶剂安全环保，操作简单，不造成二次污染；回收的物料可直接用于电池电容正极浆料的配置，不需完成从应用链末端的废旧器件至应用链首端的活性物质原材料的获得的全过程，减小了人力、物力与资源浪费；回收正极片在干燥过程中严格控制回收的物料的水分，提高了制备的电池电容的性能；最大限度回收废旧电池电容中的有效物质，具有较高的经济价值和社会效益，进一步完善未来电池电容的产业化体系。从表2中可以看出，本发明实施例1～6中采用回收的正极浆料制备的电池电容在放电容量、倍率放电性能以及循环性能上与普通电池电容均接近，相比对比例1则有明显的提高。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.一种三元体系电池电容用正极的回收处理方法，其特征在于，所述回收处理方法包括如下步骤，

S1，将废旧电池电容充分放电，然后进行机械拆解，去除外壳，分离正极片、负极片和隔膜，得到正极片；

S2，将正极片切割为碎片后依次进行低温干燥、去离子水洗涤、中温干燥、去离子水洗涤、中高温干燥和高温保温，所述低温干燥为在50~70℃下干燥20~28h；中温干燥为在100~140℃、-0.08~-0.03MPa真空压力下干燥20~28h；中高温干燥为在130~170℃下干燥10~14h；高温保温为在550~600℃、低于-0.09MPa真空压力下保温5~7h；

S3，将步骤S2中处理过的正极片置于NMP溶剂中真空搅拌，得到含有铝箔碎片的浆料，过滤，得到回收的正极稀释浆料，该正极稀释浆料直接用于电池电容正极浆料的配制。

2.根据权利要求1所述的回收处理方法，其特征在于，所述步骤S2中正极片切割时，切割后的正极片碎片边长不大于60mm。

3.根据权利要求1所述的回收处理方法，其特征在于，所述步骤S2中的中温干燥为蒸汽喷射真空干燥。

4.根据权利要求1所述的回收处理方法，其特征在于，所述步骤S2中的中高温干燥分为非真空阶段和真空阶段。

5.根据权利要求4所述的回收处理方法，其特征在于，所述非真空阶段为在非真空条件下130~140℃干燥0.5~1h，真空阶段为在140~170℃、-0.08~-0.03MPa真空压力下干燥9.5~13h。

6.根据权利要求1所述的回收处理方法，其特征在于，所述步骤S3中，正极片在NMP溶剂中的浓度为60~100g/L。

7.根据权利要求1所述的回收处理方法，其特征在于，所述步骤S3中，真空搅拌为在低于-0.09MPa真空压力下搅拌60~90min，搅拌速度为15~25r/min。