CN107350635A - 一种锂离子电池激光拆解装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种锂离子电池激光拆解装置，包括激光发生器，在激光发生器出射光路中依次设置有变焦机构和扫描振镜，扫描振镜的出射光路中依次设置聚焦单元和旋转工作台，旋转工作台中固定电池并带动电池旋转；由聚焦单元出射的激光束会聚在电池的外壳上；控制单元分别连接并控制激光发生器、扫描振镜、旋转工作台和变焦机构的动作，并接收设置于聚焦单元出射光路一侧的距离反馈单元检测废旧电池的外壳与激光束焦点的距离数据。本发明所述的装置利用激光束将废旧电池金属外壳切开，同时尽量减小对电池内层膜的破坏；具有效率高、对变形电池适用性高的优点。
Description
技术领域
本发明属于固体废弃物回收技术领域，特别涉及一种锂离子电池激光拆解装置，可利用激光切割分解废旧锂离子电池。
背景技术
随着锂离子电池的广泛应用，数量庞大的废旧锂离子电池对环境的压力也越来越大，同时如果简单废弃而不加以回收利用，也是对资源的巨大浪费。
锂离子电池由最外部的不锈钢层和内层的塑料膜、铜膜、铝膜等卷层组成，在传统方法对废旧电池处理过程中，通过冲击、挤压等机械的方法将电池整体破碎，形成铁、铜、铝、碳等不同材料的混合体，该过程要求电池要充分放电，以避免机械破碎造成的爆炸危险；分离过程利用混合体中不同材料密度、磁性、电性的物理性质的不同，通过风选、磁选、振动等分离技术分离出铁、铜、铝、碳等材料的碎片，由于材料混合彻底，分离后的各种材料纯度低，其相应的市场价值也低。由此可见，传统废旧电池处理方法存在回收率低、安全隐患高、对环境可以造成二次污染等问题，亟需一种新的废旧电池拆解加工方法。
在各种新兴的加工技术中，激光加工具有非接触、高效、热输入量小等优点，在汽车、模具、电子等行业获得了广泛应用，但由于废旧锂离子电池具有的自身变形和特殊层次结构的特点，直接利用现有的激光装置还无法实现对其进行高效、可靠的切割拆解。
发明内容
针对现有的激光装置无法对废旧锂离子电池进行高效、可靠的切割拆解的技术问题，本发明实施例提出了一种锂离子电池激光拆解装置，利用激光束将废旧电池金属外壳切开，同时尽量减小对电池内层膜的破坏；具有效率高、对变形电池适用性高的优点。
为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种锂离子电池激光拆解装置，所述装置包括激光发生器、扫描振镜、聚焦单元、旋转工作台、距离反馈单元、变焦机构和控制单元，其中：
所述旋转工作台中固定放置电池，所述电池可随所述旋转工作台旋转；所述激光发生器出射光路中依次设置有所述变焦机构和所述扫描振镜，所述扫描振镜的出射光路中依次设置所述聚焦单元和所述旋转工作台，自所述聚焦单元出射的激光束会聚在所述旋转工作台中放置的所述电池的外壳上；所述控制单元分别连接并控制所述激光发生器、扫描振镜、旋转工作台和变焦机构的动作，可以实现对激光与振镜的同步控制，同时可以实现对激光与旋转工作台的同步控制，所述控制单元还与所述距离反馈单元连接；所述距离反馈单元设置于所述聚焦单元出射光路的一侧，用于检测所述电池的外壳与激光束焦点的距离并将结果反馈至所述控制单元。
优选地，所述激光发生器为脉冲激光器；进一步优选地，所述脉冲激光器为纳秒光纤激光器。
优选地，所述聚焦单元为平场透镜；进一步优选地，所述平场透镜采用远心平场透镜。
优选地，所述旋转工作台包括电机、旋转机构和夹头，所述夹头用于夹持电池，所述旋转机构连接所述电机的输出端和所述夹头；进一步优选地，所述电机为步进电机或伺服电机。
优选地，所述距离反馈单元包括激光位置传感器。
优选地，在所述激光发生器和所述扫描振镜之间的光路中设置有扩束镜；进一步优选地，所述扩束镜集成在所述控制单元中。
本发明提供的装置利用激光束切割废旧电池金属，实现对废旧锂子电池的拆解，实施例所述技术方案的有益效果如下：
1. 由于扫描振镜激光扫描速度快，用扫描振镜实现对电池外壳轴向切割，用旋转工作台带动电池旋转实现对电池金属外壳的圆周方向切割，扫描振镜和旋转工作台配合切割有效提高了电池拆解效率；
2. 直接利用激光切割废旧电池的金属外壳，电池金属外壳和内层膜不需要进行破碎，相比传统拆解方法具有更高的回收率；
3. 由于废旧锂离子电池经常具有一定量的自身变形，通过距离反馈单元和变焦机构的设计使得本装置在拆解变形电池方面具有一定的适用性。
附图说明
图1为本发明实施例的锂离子电池激光拆解装置结构立体图；
图2为本发明实施例的锂离子电池激光拆解装置系统结构示意图；
图3为本发明实施例切割电池时的两种切割路径示意。
［主要元件符号说明］
1-激光发生器；2-扫描振镜；3-聚焦单元；4-旋转工作台；5-距离反馈单元；6-变焦机构；7-控制单元；8-轴向切割路径；9-周向切割路径。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对现有的技术问题，提供了一种锂离子电池激光拆解装置，可利用激光束将废旧电池金属外壳切开。
如图1所示的实施例中，所述锂离子电池激光拆解装置包括扫描振镜2、聚焦单元3、旋转工作台4、距离反馈单元5、变焦机构6和控制单元7，还包括用于在入射扫描振镜2之前对激光束进行扩束的扩束镜，以及其它的形成光路必要的光束传导部件，其中：
旋转工作台4中固定放置电池，电池可随旋转工作台4旋转；激光发生器1出射光路中依次设置有变焦机构6和扫描振镜2，扫描振镜2的出射光路中依次设置聚焦单元3和旋转工作台4，由聚焦单元3出射的激光束会聚在旋转工作台4中放置的电池的外壳上；控制单元7分别连接并控制激光发生器1、扫描振镜2、旋转工作台4和变焦机构6的动作，控制单元7还与距离反馈单元5连接；距离反馈单元5设置于聚焦单元3出射光路的一侧。
作为具体实施方式，激光发生器1采用脉冲激光，因其具有极高的峰值功率，足以将电池金属外壳材料瞬间气化去除。激光发生器1可选用纳秒光纤激光器（脉宽为1~100ns、波长为1030~1080nm）、二倍频（波长532nm）或三倍频（355nm）的固体激光器产生。作为更佳的实施方式，采用波长为1064nm的纳秒脉冲光纤激光器。本实施例中激光发生器1采用平均功率为200W、波长为1064nm的纳秒光纤激光器，出射光束直径为5mm。
扩束镜根据振镜要求光束直径大小和激光发生器出射光束的直径大小比值设置，可以设置不同的倍率，设置为一倍扩束情况下即相当于未设置扩束镜。本实施例中，扩束镜集成在控制单元7中，作为较佳的实施方式，使用三倍扩束镜。
本实施例中，从激光发生器1出射的激光束首先经三倍扩束镜，光束直径变为15mm。扩束后的光束经过变焦机构6变焦后入射到扫描振镜2中，扫描振镜2控制激光光束的偏转方向，再经过聚焦单元3聚焦于金属外壳表面。变焦机构6用于控制激光束焦点在传播方向上的位移，可以通过前后移动透镜来移动焦点实现变焦调节。扫描振镜2与聚焦单元3配合使用，使得激光焦点在平面内快速移动，实现在激光束在电池轴向的运动和切割；聚焦单元3可以为平场透镜，更佳的可选用远心平场透镜，远心平场透镜可使得激光束尽量垂直作用于电池外壳表面，使激光束对电池外壳切割具有更好的一致性。
切割时，待处理的废旧锂离子电池固定于旋转工作台4上。旋转工作台4可通过电机带动电池进行旋转运动，实现聚焦于外壳位置的激光束对圆周方向的切割。旋转工作台4包括电机、旋转机构和夹头。电机可以为步进电机，也可以为伺服电机等，考虑到旋转速度及旋转精度，优选交流伺服电机；夹头用于夹持电池，旋转机构用于连接伺服电机和夹头。
本实施例中，在扫描振镜2一侧布置距离反馈单元5，用于检测电池金属外壳距激光焦点的距离，也相当于电池金属外壳和激光加工头间的距离。具体地，采用激光位置传感器来采集电池旋转过程中高度起伏变化，并将采集到的数据反馈给控制单元7。
本装置的控制系统结构如图2所示，控制单元7对本发明系统中各部分进行统筹控制，使各部分协同工作，形成完整的一体。具体地，控制单元7实现对激光发生器1与扫描振镜2、激光发生器1与旋转工作台4动作的同步控制；同时控制单元7收到距离反馈单元5反馈至的距离数据，根据距离数据实时控制变焦机构，使得激光束焦点始终处于电池金属外壳表面。控制单元7同步控制激光发生器1与扫描振镜2动作实现电池轴向扫描切割，如图3中虚线所示的轴向切割路径8；同步控制激光发生器1与旋转工作台4配合，实现电池圆周方向的旋转切割，如图3中虚线所示的周向切割路径9。根据不同的拆解需求，可以同一电池上时进行轴向切割和圆周方向切割，或在同一电池上只进行轴向切割或圆周方向切割。扫描切割和旋转切割配合使得电池拆解效率得到提高。
同时，通过距离反馈单元和变焦机构的设计，使得本发明系统对变形的废旧锂离子电池的拆解具有一定的适用性。
对于上述的本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识未作过多描述；各实施例采用递进的方式描述，各实施例中所涉及到的技术特征在彼此之间不构成冲突的前提下可以相互组合，各实施例之间相同相似部分互相参见即可。
在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“竖直”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，不应理解为对本发明的限制；除非另有明确的规定和限定，术语 “连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种锂离子电池激光拆解装置，包括激光发生器（1），其特征在于，还包括扫描振镜（2）、聚焦单元（3）、旋转工作台（4）、距离反馈单元（5）、变焦机构（6）和控制单元（7），其中：
所述旋转工作台（4）中固定放置电池，所述电池可随所述旋转工作台（4）旋转；所述激光发生器（1）出射光路中依次设置有所述变焦机构（6）和所述扫描振镜（2），所述扫描振镜（2）的出射光路中依次设置所述聚焦单元（3）和所述旋转工作台（4），自所述聚焦单元（3）出射的激光束会聚在所述旋转工作台（4）中放置的所述电池的外壳上；所述控制单元（7）分别连接并控制所述激光发生器（1）、扫描振镜（2）、旋转工作台（4）和变焦机构（6）的动作，可以实现对激光与振镜的同步控制，同时可以实现对激光与旋转工作台的同步控制，所述控制单元（7）还与所述距离反馈单元（5）连接；所述距离反馈单元（5）设置于所述聚焦单元（3）出射光路的一侧，用于检测所述电池的外壳与激光束焦点的距离并将结果反馈至所述控制单元（7）。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光发生器（1）为脉冲激光器。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述脉冲激光器为纳秒光纤激光器。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述聚焦单元（3）为平场透镜。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述平场透镜为远心平场透镜。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述旋转工作台（4）包括电机、旋转机构和夹头，所述夹头用于夹持电池，所述旋转机构连接所述电机的输出端和所述夹头。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述电机为步进电机或伺服电机。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述距离反馈单元（5）包括激光位置传感器。
9.根据权利要求1至8任一项所述的装置，其特征在于，在所述激光发生器（1）和所述扫描振镜（2）之间的光路中设置有扩束镜。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述扩束镜集成在所述控制单元（7）中。
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