CN108808143A - 一种废旧锂电池快速放电方法及放电处理设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种废旧锂电池快速放电方法，将废旧锂电池放入盐溶液中浸泡；向所述盐溶液施加超声波与磁场进行辅助放电。本发明方法使废旧锂电池在超声波和磁场的共同作用下实现快速放电，相对于传统混合液药剂放电方法，本发明可在大大加快废旧锂电池放电速度的同时减少环境污染和药剂使用成本；相对于单独超声辅助放电，本发明可进一步提高放电速度，缩短废旧电池回收处理的周期。本发明还涉及与发明方法相应的废旧锂电池快速放电处理设备。

Description

一种废旧锂电池快速放电方法及放电处理设备

技术领域

本发明属于废旧电池处理技术领域，尤其涉及一种废旧锂电池快速放电方法及放电处理设备。

背景技术

锂离子电池具有环境污染小、无记忆效应且电化学性能优良等优点，已被广泛应用于便携式电子设备、电动汽车、电网等领域。作为绿色能源的可充电锂离子电池的使用寿命一般在3-8年，随着锂离子电池的广泛应用，废旧锂离子电池不仅造成了大量的固体废弃物污染，还会带来严重的资源浪费。据推算，2018～2020年将迎来动力电池退役潮，预计2018-2020年的动力电池退役容量分别可达2.7GWh、9.1GWh、14.4GWh，解决退役动力电池回收利用的问题迫在眉睫。

由于目前我国即将退役的新能源动力电池规格、容量等差异大，生产、使用等参数的可追溯性较差，退役动力电池的检测、分拣代价高，且很难准确评估，动力电池实现梯次利用的程度很低，废旧动力电池的回收主要是采用资源再生利用的方式。

资源再生利用主要是对已经报废的动力锂离子电池进行破碎、拆解和元素提炼等，实现镍、钴、锂等资源的回收再利用。在废旧动力电池再生利用的工序中，首先是对废旧锂电池进行前序处理和放电。现有技术中，放电过程主要是采用将废旧电池放入盐溶液或混合水处理液中浸泡放电，这种放电方式一般需要5～15天，放电时间非常长，严重影响废旧锂电池的处理效率。

此外，中国专利201510996885.X公开一种利用混合液药剂的方法将废旧锂电池进行放电的方法。其具体涉及的步骤为：将废旧锂电池进行前序处理；再放入混合液药剂中放电；向混合液药剂发射超声波进行辅助放电，以提高放电速度。所用的混合液药剂包括氯化钠、氯化铁和氯化铜，同时还利用了超声波进行辅助放电。该方法虽然相对于传统的盐溶液或混合水处理液浸泡法，能大幅提高电池放电速度。该方法的实现是利用了对混合液药剂的具体选择并配合以超声辅助放电。但该方法仍然存在下述不足：

(1)该方法使用的混合液药剂含有重金属离子，属于高污染溶液，相关企业必须配备专门的废液处理设施，此外该方法需要每间隔一预定时间对混合液药剂进行旋转或搅动，这些都会导致企业运行成本增加。

(2)该方法使用超声波辅助放电，但超声波在辅助放电过程中主要是通过增加导电离子数目和电荷数的作用达到增加混合液药剂导电率的目的，但当盐类溶于水中生成电解质溶液时，离子的静电力破坏了原来的水结构，在离子周围形成一定的水分子层，即离子水化层，离子水化层阻碍离子的运动，导致速度不能加快。而超声对导电离子运动速度的加剧、离子水化层的破坏能力均较差，因而该方法中超声波对混合液药剂电导率的提高作用仍显不足，无法进一步增加废旧电池的放电速度。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，本发明提供一种废旧锂电池快速放电方法，本方法采用超声波和磁场二者相结合的方式，对放电槽中的废旧电池进行辅助放电，在借助超声波增加导电离子数目和电荷数的情况下，再通过加载磁场加速导电离子和电子的传输速度，大大提高放电槽内盐溶液的电导率，使废旧电池实现快速放电。本发明的方法无需使用混合液药剂，对环境无污染。此外，本发明还提供一种利用所述方法的放电处理设备。

为了达到上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种废旧锂电池快速放电方法，所述方法包括：

将废旧锂电池放入盐溶液中浸泡；

向所述盐溶液施加超声波与磁场进行辅助放电。

在本发明一个较佳的实施例中，所述盐溶液为氯化钠盐溶液，浓度为2-8mol/L。

在本发明一个较佳的实施例中，所述超声波频率为15khz～100khz，施加时长0.5～15h；所述磁场的强度为0.10～0.18T，施加时长0.5～15h。

据研究发现，氯化钠等盐水溶液在磁场中，导电率随磁感应强度的增强而增大，近似呈抛物线规律增大，当磁感应强度达0.10～0.18T时磁场对导电液的导电率影响较大，而0.16T时对导电率影响最大；而当磁场强度过大将会导致溶液粘度较大，影响溶液中带电粒子的运动速率。

在本发明一个较佳的实施例中，所述方法进一步包括每隔一预定时间切换一次磁场方向。

在本发明一个较佳的实施例中，所述磁场为交变电流产生的交变磁场。

本发明还提供一种废旧锂电池快速放电处理设备，其包括：

放电槽，所述放电槽内容纳有盐溶液，所述放电槽内的盐溶液供待放电的废旧锂电池放置于其中；

超声波功能装置，设于所述放电槽上，用于向所述放电槽发射超声波；

磁场发生器，设于所述放电槽的内部或外部，用于向所述放电槽施加磁场；

供电装置，用于向所述超声波功能装置和磁场发生器提供电能。

在本发明一个较佳的实施例中，所述磁场发生器包含至少一个螺线管，所述螺线管是由多重卷绕的导线形成，所述卷绕中心为空心或插入金属芯。

在本发明一个较佳的实施例中，所述磁场发生器还包含欧姆电阻，

所述螺线管与所述欧姆电阻串联连接在一个电流回路上。

在本发明一个较佳的实施例中，所述磁场发生器包含一对螺线管，该对螺线管对称地设于所述放电槽的内侧或外侧。

在本发明一个较佳的实施例中，所述放电槽为长方形放电槽，包括一组长边侧壁和一组短边侧壁，该对螺线管对称地设于所述放电槽的两长边侧壁的外侧。

在本发明一个较佳的实施例中，所述超声波功能装置固设于所述放电槽的底壁；所述超声波功能装置包括超声波发生器和超声波换能器，所述超声波换能器电连接超声波发生器，所述超声波发生器将市电或直流电转换为高频交流电，所述超声波换能器将所述高频交流电转换成高频机械震动。

在本发明一个较佳的实施例中，所述供电装置连接交流电或直流电，所述交流电为市电。

本发明的技术效果在于：

(1)本发明的废旧锂电池快速放电方法，在废旧电池浸泡至放电槽后，对放电槽内的盐溶液同时施加超声波与磁场，令放电槽内的盐溶液处于超声波场与磁场叠加的环境中。其中超声波主要用于对盐溶液产生空化作用，增加盐溶液中导电离子数目和电荷数，并在一定程度上增加粒子的运动速度，有利于提高盐溶液的电导率；在此基础上，由于磁场具有加速带电粒子的运动的作用，因而对该盐溶液施加磁场可大大加速盐溶液中导电离子和电子的传输速度，以进一步提高盐溶液的电导率，有助于加快废旧电池的放电速度。

(2)由于超声波只有空化作用，对离子表面的水化层没有破坏能力，而本发明的方案中，同时还向放电槽的盐溶液施加磁场。在磁场作用下,水分子内电子产生的磁矩会向着磁场方向或逆着磁场方向转向,从而使水分子的电子云发生极化,使离子水化层受到破坏，减弱离子水化作用，加快离子的传输速度，使溶液的电导率升高，有助于提高废旧电池的放电速度。

(3)本发明进一步使用交变磁场施加到所述放电槽中，交变磁场的磁场方向会发生周期性变化,因而水分子内电子产生的磁矩也随磁场方向周期性转向,在磁矩周期性转向过程中,水分子的动能得到提高,水分子运动加剧、加大了对离子水化层的破坏,进一步提高了溶液的电导率，进而加快废旧电池的放电速度。

(4)本发明方法中，放电槽内的盐溶液为氯化钠盐溶液，氯化钠为食用盐，对环境无污染，为企业节省排放治理成本；本发明在放电过程中可无需对盐溶液进行旋转和搅动，可节省能耗。但本领域技术人员可理解地，本发明的此项技术效果，并不是要在本发明专利保护范围内排除使用其他盐溶液和对盐溶液进行搅动和对废旧电池翻转等操作的实施方案。

附图说明

图1为本发明一种废旧锂电池快速放电方法的流程示意图。

图2为本发明一种废旧锂电池快速放电处理设备的结构示意图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

本发明的废旧锂电池快速放电方法主要是采用超声波和磁场二者相结合的辅助放电方式，在超声波空化产生大量导电离子和电荷数的情况下，加剧水分子的运动，进一步破坏离子表面的水化层，加速溶液中离子、电子的传输速度，提高盐溶液的电导率，从而加快盐溶液中废旧电池的放电速度。

参见图1所示，本发明的废旧锂电池快速放电方法，所述方法包括：

S1：将废旧锂电池放入盐溶液中浸泡。

S2：向所述盐溶液施加超声波与磁场进行辅助放电。

本发明在对废旧锂电池进行前序处理后，将废旧锂电池投入到含有氯化钠等盐水溶液中进行放电，然后向该放电槽的盐溶液施加超声波与磁场进行辅助放电，这辅助放电可以使电池放电时间大大缩短，提高废旧电池的放电效率。

进一步地，步骤S1中，所述盐溶液为氯化钠溶液，浓度为2-8mol/L，典型但非限制性地优选3mol/L、4mol/L、5mol/L、6mol/L、7mol/L。

盐溶液浓度太高时，磁场可进一步消弱溶液的电泳效应，提高溶液的离子电导率，但是会导致资源的浪费。盐溶液浓度太低时，其水溶液的电导率较低，放电速度较慢。

进一步地，步骤S2中，所述超声波频率为15khz～100khz，典型但非限制性地优选20khz、25khz、30khz、35khz、40khz、45khz、50khz、55khz、60khz、65khz、70khz、75khz、80khz、85khz、90khz、95khz、98khz，施加时长0.5～15h，典型但非限制性地优选1h、2h、3h、4h、5h、6h、7h、8h、9h、10h、11h、12h、13h、14h；所述磁场的的强度为0.10～0.18T典型但非限制性地优选0.11T、0.12T、0.13T、0.14T、0.15T、0.16T、0.17T，施加时长0.5～15h，典型但非限制性地优选1h、2h、3h、4h、5h、6h、7h、8h、9h、10h、11h、12h、13h、14h。

在实际操作过程中，由于废旧锂电池的剩余电量不同，因此施加超声波和磁场的时长也会有所不同。但经实际测试发现，在超声波场和磁场共存的情况下，几乎所有废旧锂电池在15h内均可放电完。

进一步地，步骤S2中，每隔一预定时间切换一次磁场方向。

切换磁场的方向，具体可通过设计切换电路来实现，通过该切换电路，改变磁场发生器中的电流方向，从而间接改变磁场方向。例如，可每隔0.5-3分钟，通过改变磁场发生器的电流方向切换一次磁场方向。

在本发明一个较佳的实施例中，步骤S2中，所述磁场为交变电流产生的交变磁场。

当向磁场发生器通入交变电流时，磁场发生器产生交变磁场。例如，当磁场发生器连接市电，则产生频率为50HZ的交变磁场。在本发明中，交变磁场优于恒定磁场，这是因为交变磁场的磁场方向会周期性变化,因而水分子内电子产生的磁矩也随磁场方向周期性转向,在磁矩的周期性转向过程中,使水分子的动能提高,水分子运动加剧,加大了对离子水化层的破坏,进一步提高了溶液的电导率，进而加快废旧电池的放电速度。

参见图2所示，本发明还提供了一种废旧锂电池快速放电处理设备，包括放电槽11、超声波功能装置12、磁场发生器13和供电装置14。

放电槽11为一个储水箱结构，其内容纳盐溶液L，盐溶液L内放置有废旧锂电池2。

超声波功能装置12设于放电槽11底部，具体是设于该储水箱的底壁上。超声波功能装置12包括超声波发生器121和超声波换能器122，

超声波发生器121与供电装置14电连接，超声波换能器122又与超声波发生器121电连接，将供电装置14提供的电信号转换成高频交流电，超声波换能器122再把该高频交流电转换成高频机械震动，高频机械震动再通过放电槽11底壁传递至放电槽11内的盐溶液L，使盐溶液L产生空化作用。其中，超声波发生器121的型号可选择为MD67-KMD-K1，超声波换能器122的数量可为多个(如3个)，均匀地固定在放电槽11的底壁上，且各超声波换能器122均电连接超声波发生器121，其型号可选择为GCC-X3528。

磁场发生器13，也可称为磁场发生装置。磁场发生器13可以是任何一种可产生磁力线的装置或元件。优选地，在本发明中采用与该供电装置电性连接的螺线管。如图2所示，磁场发生器13包含螺线管131和欧姆电阻132，螺线管131和欧姆电阻132串联后与供电装置14电连接形成电流回路，其中欧姆电阻132有助于保持磁场的稳定。对螺线管131通电后，即产生从螺线管131的导线卷绕中心穿出至导线卷绕外的磁场。优选地，可在螺线管131的导线卷绕中心塞入金属芯，如铁芯，用于对磁场加强。螺线管131通电产生的磁场施加到放电槽11内的盐溶液L，使盐溶液L中水分子的电子云发生极化,破坏导电离子水化层，加快导电离子的传输速度，从而提高废旧电池的放电速度。需要说明的是，当供电装置14提供直流电时，欧姆电阻132可不设置。

其中磁场发生器13的工作电流可以是直流也可以是交流电流，但作为本发明而言，交流电产生的磁场为交变磁场，相较于恒定磁场而言，交变磁场的磁场方向呈周期性变化,使得水分子中电子产生的磁矩也随之周期性转向,而这种磁矩周期性转向的过程使水分子获得能量，其动能得到提高、运动加剧,进一步加大对导电离子水化层的破坏作用，加快导电离子的运动速率、提高盐溶液L电导率，有利于废旧锂电池的放电。

优选地，如图2所示，本发明的磁场发生器13包含一对螺线管131，对称地固设于放电槽11相对的两侧壁111的外侧，可在两侧壁111的外侧的适当位置设置供螺线管131固定/安装的支架、盒体、或挂钩等组件，只要能实现将螺线管131固定且不会削弱或屏蔽磁场即可。

进一步地，考虑到螺线管131形成的磁场具有特定的分布特点，为了保证放电槽11内的盐溶液L尽可能地都处于较密集的磁场线中，本发明将放电槽11设为长方形的槽。该长方形槽包含一组长边侧壁111和一组短边侧壁；优选地，短边侧壁的宽度为长边侧壁111宽度1/5～2/3。该对螺线管131对称地设于放电槽11的两长边侧壁111的外侧，且优选地，可螺线管131的长度为长边侧壁111宽度的1/3～1。

其中，在另一些实施例中，螺线管131也可不固定在放电槽11外侧，而是在需要对放电槽11施加磁场时，再临时组装到放电槽11上并接通电源。在构成螺线管131的卷绕导线外部包覆有绝缘胶皮的情况下，螺线管131也可直接置于放电槽11内部浸没在盐溶液L中。在这种情况下，相对其设于放电槽11外侧时，螺线管131通电时产生的磁场的使用率更高，有利于节省电耗。

其中，供电装置14可连接交流电源或直流电源，如220V、50HZ的市电；其中，供电装置14的数量可为一个或多个，例如包含多个时，各供电装置14分别对磁场发生器13和超声波功能装置12提供电能。为安全起见，整个放电处理设备置于一个封闭的环境中。

需要说明的是，以上各螺线管131可分别为独立的一根长螺线管，也可为多根短的螺线管串接组成。

实验例

为了进一步说明本发明的技术效果，现按照上述对废旧锂电池快速放电处理设备组装实验装置模型进行测试和验证。

材料准备：12枚废旧18650锂电池(直径18mm*65mm圆柱电池)，剩余电量为0.9～1.0Ah，分别拆除外部塑料膜和塑料壳；KM-1030C实验室小型超声波清洗机1台(40,000Hz)；5L氯化钠溶液6mol/L；自绕螺线管1对，欧姆电阻30欧姆，电源变压器(输入110/220V，输出24V，功率100W)；电压表。

测试方法：12枚分为4组，每组3个电池；4组电池分别对应实验组和对照组1-3。

依次进行如下实验操作步骤：

实验组：将3枚电池放入盛装500mL氯化钠溶液的超声波清洗机水槽内放电，电源变压器接螺线管与欧姆电路，螺线管浸没在氯化钠溶液，打开超声波电源和电源变压器的电源，向水槽内施加超声波和磁场。用电压表测电池电压，记录放电完成(电压为0)所耗的时间。

对照组1：将3枚电池放入盛装500mL氯化钠溶液的超声波清洗机水槽内放电，打开超声波电源，向水槽内施加超声波辅助放电。用电压表测电池电压，记录放电完成(电压为0)所耗的时间。

对照组2：将3枚电池放入盛装500mL氯化钠溶液的超声波清洗机水槽内，电源变压器接螺线管与欧姆电路，废旧电池浸没在氯化钠溶液中，打开电源变压器的电源，向水槽内施加磁场。用电压表测电池电压，记录放电完成(电压为0)所耗的时间。

对照组3：将3枚电池放入盛装500mL氯化钠溶液的超声波清洗机水槽内。用电压表测电池电压，记录放电完成(电压为0)所耗的时间。

实验记录的结果如下表：

由此可证明，在电池放电过程中，若对放电槽同时施加超声波和磁场进行辅助放电，比单独施加超声波(对照组1)或单独施加磁场(对照组1)的放电速度都要明显加快，而相对于既不施加超声波也不施加磁场的放电方式(对照组3)，对电池放电速度的加快作用尤为显著。

需声明的是，以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种废旧锂电池快速放电的方法，其特征在于，所述方法包括：

将废旧锂电池放入盐溶液中浸泡；

向所述盐溶液施加超声波与磁场进行辅助放电。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述盐溶液为氯化钠盐溶液，浓度为2-8mol/L。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超声波频率为15khz～100khz，施加时长0.5～15h；所述磁场的强度为0.10～0.18T，施加时长0.5～15h。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括每隔一预定时间切换一次磁场方向。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述磁场为交变电流产生的交变磁场。

6.一种废旧锂电池快速放电处理设备，其特征在于，其包括：

放电槽，所述放电槽内容纳有盐溶液，所述放电槽内的盐溶液供待放电的废旧锂电池放置于其中；

超声波功能装置，设于所述放电槽上，用于向所述放电槽发射超声波；

磁场发生器，设于所述放电槽的内部或外部，用于向所述放电槽施加磁场；

供电装置，用于向所述超声波功能装置和磁场发生器提供电能。

7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述磁场发生器包含至少一个螺线管，所述螺线管是由多重卷绕的导线形成，所述卷绕中心为空心或插入金属芯。

8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述磁场发生器还包含欧姆电阻，所述螺线管与所述欧姆电阻串联连接在一个电流回路上。

9.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述磁场发生器包含一对螺线管，该对螺线管对称地设于所述放电槽的内侧或外侧。

10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述放电槽为长方形放电槽，包括一组长边侧壁和一组短边侧壁，该对螺线管对称地设于所述放电槽的两长边侧壁的外侧。