CN107978816B - 一种再生修复废旧锂离子电池正极材料的方法 - Google Patents

一种再生修复废旧锂离子电池正极材料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种再生修复废旧锂离子电池正极材料的方法。首先，将拆解、除去表面有机质的废旧锂离子电池正极材料分级处理，去除废旧锂离子电池材料中粉化的细碎颗粒。然后，将分级得到的废料与适当比例的锂盐球磨混或浸渍于锂盐溶液中，得到均匀混锂的废料。最后，采用微波烧结的方法，将混锂废料置于空气或氧气气氛下进行热处理，再生制备锂离子电池材料。该方法采用微波焙烧，材料升温速率快，效率高，且在整个回收过程中，无需强酸、强碱，无废渣、酸碱性废水生成，不易产生二次污染。同时，该方法流程简单，微波加热时，材料内部温度更均匀，再生产品质量稳定，性能良好。

Description

一种再生修复废旧锂离子电池正极材料的方法
技术领域
本发明涉及废旧电池回收领域，尤其是涉及一种再生修复废旧锂离子电池正极材料的方法。
技术背景
锂离子电池已经广泛地应用于我们生活的各个领域，给生活带来了极大的便利。然而，随着使用时间的延长，锂离子电池会慢慢失效。锂离子电池失效的一个明显的表现就是正极材料容量降低。在锂离子充放电过程中，锂离子在正极材料中不断的嵌入和脱出。在锂离子长期循环脱嵌过程中，正极材料的结构会出现一定程度的改变，导致部分锂离子不能回到材料原有的结构位置，导致正极材料锂缺失、容量下降。
目前，回收锂离子电池正极材料已引起广泛地关注。湿法冶金是回收废旧锂离子电池正极材料最常用的方法之一。首先，利用酸性溶液将锂离子电池正极材料中的镍、钴、锰、锂等有价金属组分浸入到溶液中；然后，通过萃取、沉淀、离子交换等方法将溶液中的元素分离，或者除杂后再调整溶液中镍、钴、锰等元素的比例，直接再生制备锂离子电池正极材料。湿法冶金过程回收锂离子电池正极材料金属回收率高，但流程长、工序多，容易产生废水。相比于湿法冶金，直接热处理修复工艺不仅方法简单，而且更经济环保。专利CN102280673A公开了一种直接修复磷酸铁锂正极材料的方法。专利CN106450555A公开了一种修复废旧钴酸锂正极材料的方法。两个专利均是先从废旧锂离子电池中拆解、分离富集得到正极材料，然后在通过常规的热处理方法改善废旧材料的晶体结构，进而再生获取正极材料。
然而在废旧锂离子电池正极材料结构出现坍塌等缺陷时，采用常规的加热手段，很容易使烧结材料局部烧死或烧损，导致修复得到的再生锂离子电池正极材料性能下降，产品的一致性差。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种通过微波烧结处理再生修复废旧锂离子电池正极材料的方法。该方法高效、绿色、流程短。
一种再生修复废旧锂离子电池正极材料的方法，包括如下步骤：
将干净的废旧锂离子电池正极材料进行粒径分级，分选出粒径为8～15μm的正极废料，将正极废料与锂源混合均匀获得混合物，再将混合物在含氧气氛下进行微波焙烧，即得再生锂离子电池正极材料；
所述混合物中，锂源中的锂元素与正极废料中的过渡金属总量按摩尔比计为0.3～1；
所述微波焙烧的频率为2425～2475MHz，功率500～700W，焙烧的时间5～15min。时间过短，材料重新结晶的程度不够，性能差；时间过长，材料会发生烧结。
本发明中，所述干净的废旧锂离子电池正极材料是指经废旧锂离子电池拆解、清洗后所获得的除去了表面有机质的废旧锂离子电池正极材料。
一种再生修复废旧锂离子电池正极材料的方法，所述废旧锂离子电池正极材料选自钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、镍钴锰酸锂中任意一种。优选的，所述废旧锂离子电池正极材料选自钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂中任意一种。
一种再生修复废旧锂离子电池正极材料的方法，所述废旧锂离子电池正极材料为钴酸锂时，所述混合物中，锂源中的锂元素与正极废料中的过渡金属总量按摩尔比计为0.6～0.7；
所述废旧锂离子电池正极材料为锰酸锂时，所述混合物中，锂源中的锂元素与正极废料中的过渡金属总量按摩尔比计为0.3～0.5；
所述废旧锂离子电池正极材料为镍钴锰酸锂时，所述混合物中，锂源中的锂元素与正极废料中的过渡金属总量按摩尔比计为0.8～1；
一种再生修复废旧锂离子电池正极材料的方法，所述粒径分级采用一级或多级旋流风力分选机。
一种再生修复废旧锂离子电池正极材料的方法，分选出粒径为9～10.5μm的正极废料。
一种再生修复废旧锂离子电池正极材料的方法，所述锂源为碳酸锂或氢氧化锂。
一种再生修复废旧锂离子电池正极材料的方法，将正极废料与锂源混合的方式为：采用湿法球磨混合，球磨介质为乙醇或丙酮。
一种再生修复废旧锂离子电池正极材料的方法，将正极材料与锂源混合的方式为：将正极废料浸渍于锂源溶液中，搅拌、浸渍；浸渍完成后，干燥即得混合物，所述浸渍时间5～10小时，所述锂源为氢氧化锂。所述锂源溶液无需精准配取，只需保证浸渍过程中刚好润湿浸润正极废料。
优选地，所述干燥温度为80℃，干燥时间5～8小时。
一种再生修复废旧锂离子电池正极材料的方法，所述微波焙烧的频率为2450MHz，功率500～600W。
一种再生修复废旧锂离子电池正极材料的方法，所述含氧气氛为空气气氛或氧气气氛。
一种再生修复废旧锂离子电池正极材料的方法，当烧结完成后，再生材料自然冷却。
本发明的有益效果：
(1)采用微波焙烧，材料升温速率快，效率高；
(2)不易产生二次污染。在整个回收过程中，无需强酸、强碱，无废渣、酸碱性废水生成。
(3)流程简单，微波加热时，材料内部温度更均匀，再生产品质量稳定，性能良好。
具体实施方式
下面结合具体实施实例对本发明进行具体说明。
实施例1
将100g除去表面有机质的废旧钴酸锂电池材料置于旋风分级机中处理，得到平均粒径10微米的颗粒正极废料。然后按碳酸锂中的锂元素与正极废料中的钴元素的摩尔比为0.7配取碳酸锂，并将配取后的碳酸锂与正极废料进行湿法球磨混合均匀获得混合物，球磨介质采用乙醇，最后，将混合物放置于频率为2450MHz，功率500W的微波炉中，在空气气氛下，加热8分钟。
自然冷却后，将焙烧得到的材料作为正极、金属锂作为负极、六氟磷酸锂作为电解质，组装成扣式电池，利用蓝电测试系统进行电化学性能测试。再生的钴酸锂材料在25℃，0.1C，3.0～4.3V的充放电条件下，首次放电的容量高达为151mAh·g-1，循环100次后仍保持在140mAh·g-1以上，容量保持率为93.34％
实施例2
将100g除去表面有机质的废旧钴酸锂电池材料置于旋风分级机中处理，得到平均粒径10微米的颗粒正极废料。然后配取氢氧化锂溶液，并控制氢氧化锂中锂元素与正极废料中钴元素的摩尔比为0.6，将正极废料浸渍于氢氧化锂溶液中，浸渍8小时后，在80℃下干燥6小时，获得混合物，而后将混合物放置于频率为2450MHz，功率500W的微波炉中，在空气气氛下，加热8分钟。
自然冷却后，将再生得到的材料组装成扣式电池后，再生的钴酸锂材料在25℃，0.1C，3.0～4.3V的充放电条件下，再生材料的首次放电容量可分别达到150mAh·g-1、在0.1C条件下循环100次后仍保持在141mAh·g-1，容量保持率达到94％，循环性能良好。
实施例3
将100g除去表面有机质的废旧镍钴锰酸锂电池材料置于旋风分级机中处理，得到平均粒径10.5微米的颗粒正极废料。然后按氢氧化锂中的锂元素与正极废料中的镍、钴、锰三种元素总含量的摩尔比为0.8配取氢氧化锂，并将配取后的氢氧化锂与正极废料进行湿法球磨混合均匀获得混合物，球磨介质采用丙酮，最后，将混合物放置于频率为2450MHz，功率600W的微波炉中，在氧气气氛下，加热5分钟。
自然冷却后，将焙烧得到的材料作为正极、金属锂作为负极、六氟磷酸锂作为电解质，组装成扣式电池，利用蓝电测试系统进行电化学性能测试。再生的镍钴锰酸锂材料在25℃，0.1C，2.7～4.3V的充放电条件下，首次放电的容量高达为148mAh·g-1，循环100次后仍保持在140mAh·g-1以上，容量保持率达到94.6％，循环性能良好。
实施例4
将100g除去表面有机质的废旧镍钴锰酸锂电池材料置于旋风分级机中处理，得到平均粒径10微米的颗粒正极废料。然后配取氢氧化锂溶液，并控制氢氧化锂中锂元素与正极废料中镍、钴、锰三种元素总含量的摩尔比为1，将正极废料浸渍于氢氧化锂溶液中，浸渍8小时后，在80℃下干燥6小时，获得混合物，而后将混合物放置于频率为2450MHz，功率500W的微波炉中，于在空气气氛下，加热15分钟。
自然冷却后，将再生得到的材料组装成扣式电池后，再生的镍钴锰酸锂材料在25℃，0.1C，2.7～4.3V的充放电条件下，再生材料的首次放电容量可分别达到155mAh·g-1、在0.1C条件下循环100次后仍保持在139mAh·g-1,容量保持率达到90％以上。
实施例5
将100g除去表面有机质的废旧锰酸锂电池材料置于旋风分级机中处理，得到平均粒径9微米的颗粒正极废料。然后配取氢氧化锂溶液，并控制氢氧化锂中锂元素与正极废料中的锰元素按摩尔比为0.3，将正极废料浸渍于氢氧化锂溶液中，浸渍10小时后，在80℃下干燥5小时，获得混合物，而后将混合物放置于频率为2450MHz，功率500W的微波炉中，于在空气气氛下，加热10分钟。
自然冷却后，将再生得到的材料组装成扣式电池后，再生的锰酸锂材料在25℃，0.1C，3.3～4.4V的充放电条件下，再生材料的放电容量可分别达到118mAh·g-1、在0.1C条件下循环100次后容量保持率在85％以上。
实施例6
将100g除去表面有机质的废旧锰酸锂电池材料置于旋风分级机中处理，得到平均粒径9微米的颗粒正极废料。然后按碳酸锂中的锂元素与正极废料中锰的摩尔比为0.3配取碳酸锂，并将配取后的氢氧化锂与正极废料进行湿法球磨混合均匀获得混合物，球磨介质采用乙醇，最后，将混合物放置于频率为2450MHz，功率500W的微波炉中，在氧气气氛下，加热5分钟。
自然冷却后，将焙烧得到的材料作为正极、金属锂作为负极、六氟磷酸锂作为电解质，组装成扣式电池，利用蓝电测试系统进行电化学性能测试。再生的锰酸锂材料在25℃，0.1C，3.3～4.4V的充放电条件下，首次放电的容量高达为120mAh·g-1，循环100次后仍保持在109mAh·g-1，容量保持率在91％以上。
对比例1
本实施例采用的废旧钴酸锂材料与再生的方法与实施例1基本相同。区别仅在于，本实施例采用的是马弗炉加热。将再生得到的材料组装成扣式电池后，再生的钴酸锂材料在25℃，0.1C，3.0～4.3V的充放电条件下，首次放电的容量高达仅为136mAh·g-1，循环100次后容量保持率不足90％。
对比例2
本实施例采用的废旧钴酸锂材料与再生的方法与实施例1基本相同。区别在于，本实施例微波加热的时间为2分钟。将再生得到的材料组装成扣式电池后，再生的钴酸锂材料在25℃，0.1C，3.0～4.3V的充放电条件下，首次放电容量不足120mAh·g-1。
对比例3
本实施例采用的废旧钴酸锂材料与再生的方法与实施例1基本相同。区别在于，本实施例微波加热的时间为25分钟。将再生得到的材料组装成扣式电池后，再生的钴酸锂材料在25℃，0.1C，3.0～4.3V的充放电条件下，材料的首次放电容量为132mAh·g-1，在1C条件下循环100次后，容量保持率不到80％。
对比例4
本实施例采用的废旧镍钴锰酸锂材料与再生的方法与实施例3基本相同。区别在于，配取的氢氧化锂中锂元素与正极废料中镍、钴、锰三种元素总含量的摩尔比仅为0.2.将再生得到的材料组装成扣式电池后，再生的镍钴锰酸锂材料在25℃，0.1C，2.7～4.3V的充放电条件下，材料的首次放电容量小于120mAh·g-1，在1C条件下循环100次后，容量保持率不到75％。
对比例5
本实施例采用的废旧镍钴锰酸锂材料与再生的方法与实施例4基本相同。区别在于，得到的除去表面有机质的废旧电池材料未进行分级处理，而直接与锂源混合。将再生得到的材料组装成扣式电池后，再生的镍钴锰酸锂材料在25℃，0.1C，2.7～4.3V的充放电条件下，材料的首次放电容量可达到150mAh·g-1，在1C条件下循环100次后，容量保持率不到80％。
对比例6
本实施例采用的废旧锰酸锂材料与再生的方法与实施例5基本相同。区别在于，微波加热的功率为1000W。将再生得到的材料组装成扣式电池后，再生的锰酸锂材料在25℃，0.1C，3.3～4.4V的充放电条件下，再生材料的放电容量在100mAh·g-1以下、在1C条件下循环100次后容量保持率在70％以下。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所述技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，所做出得若干等同替代或明显变形，都应视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种再生修复废旧锂离子电池正极材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：将干净的废旧锂离子电池正极材料进行粒径分级，分选出粒径为8~15μm的正极废料，将正极废料与锂源混合均匀获得混合物，再将混合物在含氧气氛下进行微波焙烧，即得再生锂离子电池正极材料；
所述混合物中，锂源中的锂元素与正极废料中的过渡金属总量按摩尔比计为0.3~1；
所述微波焙烧的频率为2450MHz，功率500~600W，焙烧的时间5~15min；
所述废旧锂离子电池正极材料选自钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、镍钴锰酸锂中任意一种；
所述废旧锂离子电池正极材料为钴酸锂时，所述混合物中，锂源中的锂元素与正极废料中的过渡金属总量按摩尔比计为0.6~0.7；
所述废旧锂离子电池正极材料为锰酸锂时，所述混合物中，锂源中的锂元素与正极废料中的过渡金属总量按摩尔比计为0.3~0.5；
所述废旧锂离子电池正极材料为镍钴锰酸锂时，所述混合物中，锂源中的锂元素与正极废料中的过渡金属总量按摩尔比计为0.8~1。
2.根据权利要求1所述的一种再生修复废旧锂离子电池正极材料的方法，其特征在于，所述粒径分级采用一级或多级旋流风力分选机。
3.根据权利要求1所述的一种再生修复废旧锂离子电池正极材料的方法，其特征在于，分选出粒径为9~10.5μm的正极废料。
4.根据权利要求1所述的一种再生修复废旧锂离子电池正极材料的方法，其特征在于，所述锂源为碳酸锂或氢氧化锂。
5.根据权利要求1所述的一种再生修复废旧锂离子电池正极材料的方法，其特征在于，将正极废料与锂源混合的方式为：采用湿法球磨混合，球磨介质为乙醇或丙酮。
6.根据权利要求1所述的一种再生修复废旧锂离子电池正极材料的方法，其特征在于，将正极废料与锂源混合的方式为：将正极废料浸渍于锂源溶液中，浸渍完成后，干燥即得混合物，所述浸渍时间5~10小时，所述锂源为氢氧化锂。
7.根据权利要求1所述的一种再生修复废旧锂离子电池正极材料的方法，其特征在于，所述含氧气氛为空气气氛或氧气气氛。
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