CN109478698A - 回收锂离子电池的方法 - Google Patents
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Abstract
本文提供一种回收锂离子电池的方法,包含将阳极与阴极材料的混合物从废弃的锂离子电池分离。分离的电极材料可在高回收率下容易地收集。本文提供了从废弃的锂离子电池中回收电极材料的快速、高效并且低成本的方法。
Description
技术领域
本发明涉及回收锂离子电池的方法。
背景技术
过去数十年间,因其出众的能量密度、长寿命和放电能力,锂离子电池(lithium-ion battery,LIB)已经被广泛地使用于各种应用,例如消费类电子产品。LIB一般包括阳极、电解液和阴极,阴极含有锂-过渡金属氧化物形式的锂。
近年来,LIB开始大量用于汽车推进领域,因为这些电池可提供许多年的可靠服务,并预期其在正常驾驶条件下可以使用约10年。随后,这些LIB可用于公用事业能源存储直至其使用寿命终点。
废弃LIB导致的环境问题已经引起了公众的普遍关注。如果可从用过的电池中回收可用的材料,那么从土地里有限的供应中提取原材料的需求将会减少。另外,如果用过的LIB可再回收利用,那么可避免由采矿和加工矿石造成的对环境的显著负面影响(例如,硫化矿石熔炼过程所释放出的SOx,例如产生铜、镍和钴的硫化矿石熔炼过程)。
当前,回收废弃LIB的方法可分成两大类型:浸出法,以及焙烧与浸出的组合方法。一般来说,浸出法包括如下步骤:将电池粉碎或切碎,用酸浸出,通过沉淀、络合和/或萃取将浸出的材料分离。但是,浸出涉及复杂的浸出液组合物和会产生大量二级废弃物的多个分离步骤。
焙烧与浸出的组合方法包括以下步骤:将电池粉碎或切碎,焙烧,用酸浸出,将浸出的材料分离等。但是,此方法由于使用热处理法,具有能耗较高的额外缺点。此外,因为电极材料的一些组分经燃烧产成二氧化碳和其它有害物质,所以电极材料的回收率较低。
已经进行不同的尝试来解决以上这些问题并改善回收过程的表现。中国专利申请公开号CN104577246 A描述了一种锂离子电池的阴、阳极材料的回收方法。但是,该方法耗时并且需要大量劳动力,因为该回收方法需要去除电池外壳。
中国专利申请公开号CN103449395 A公开了一种从磷酸铁锂电池中回收阴极材料的方法。但是,此方法需要细致拆解磷酸铁锂电池以获得未受损的阴极板的步骤并且限于磷酸铁锂电池。
中国专利号CN101318712 B公开了一种用于从LIB回收钴的方法。但是,回收物仅仅限于LiCoO2,不适用于回收其它阴极材料。
中国专利申请公开号CN104409792 A公开了一种用于从LIB回收钴的方法。此方法包含基于浮沉法分离不同密度的材料的步骤,其中较重的部分下沉至底部,较轻的部分漂浮。此分离系统虽然概念上非常简单,但具有许多缺点。当固体材料用水或水性液体润湿时,一些轻和重的粒子絮凝而形成凝聚体。因此,含有LiCoO2和碳粉的悬浮固体颗粒的一部分会沉降并在分离较重部分时被去除掉,从而使分离工艺变复杂。另外,此方法费时并且成本不低,因为较轻部分、较重部分和悬浮的固体颗粒必须顺序地去除。此外,回收物也限于LiCoO2,不适用于回收其它阴极材料。
由此可见,开发一种在温和条件下具有高回收率、高效率和低成本的LIB回收方法的需求是一直存在的。具体来说,一直需要一种回收LIB的无污染方法,以减少回收工艺中产生的空气污染和水污染。
发明内容
本文中所公开的各个方面和实施方式满足了以上提及的需求。在一个方面,本文提供一种回收锂离子电池的方法,其包含以下步骤:
a)将锂离子电池放电;
b)将锂离子电池切碎成碎片以提供结构部件、涂有阴极层的第一导电金属部件和涂有阳极层的第二导电金属部件的混合物;
c)将切碎的锂离子电池的碎片浸没到极性溶剂中以形成异质混合物;
d)使用机械搅拌处理异质混合物,持续约30分钟至约5小时的时段,以溶解在阴极层和阳极层中的粘结剂材料;
e)筛选经过处理的异质混合物以将结构部件、第一导电金属部件和第二导电金属部件与包含阴极和阳极材料的更细的电极材料分离,以提供包含由极性溶剂和更细的电极材料组成的悬浮液;以及
f)将悬浮液中的更细的电极材料与极性溶剂分离;
其中极性溶剂是水、醇、酮或其组合;
其中阴极材料是选自由LiCoO2、LiNiO2、LiNixMnyO2、LiNixCoyO2、Li1+zNixMnyCo1-x-yO2、LiNixCoyAlzO2、LiV2O5、LiTiS2、LiMoS2、LiMnO2、LiCrO2、LiMn2O4、LiFeO2、LiFePO4及其组合构成的群组的锂过渡金属氧化物;其中每个x独立地为0.3至0.8;每个y独立地为0.1至0.45;并且每个z独立地为0至0.2;以及
其中阴极层和阳极层中的每一者的粘结剂材料独立地是水基粘结剂材料或水基粘结剂材料和有机粘结剂材料的混合物。
在一些实施方式中,锂离子电池通过水射流切割机或具有锯齿或刀片的装置切碎。在某些实施方式中,切碎的锂离子电池的碎片具有约0.5英寸至约4.0英寸的平均长度。在其他实施方式中,切碎的锂离子电池的碎片具有约四分之一英寸或更小的平均长度。
在某些实施方式中,第一和第二导电金属部件中的每一者独立地选自由以下各者组成的群组:铝薄板、铜薄板、金薄板、银薄板和铂薄板所构成的群组。
在一些实施方式中,极性溶剂为水。在其它实施方式中,极性溶剂为水与醇的混合物。在进一步的实施方式中,醇选自甲醇、乙醇、异丙醇、正丙醇、叔丁醇或其组合。在更进一步的实施方式中,水与醇的重量比为约5:95至约95:5。
在某些实施方式中,极性溶剂为水与酮的混合物。在进一步的实施方式中,酮选自丙酮、二乙基酮、甲基乙基酮、甲基异丁基酮和甲基丙基酮或其组合。在更进一步的实施方式中,水与酮的重量比为约5:95至约95:5。
在一些实施方式中,极性溶剂为包含选自由以下各者组成的群组的盐的缓冲溶液:碳酸锂、碳酸氢锂、磷酸锂、碳酸钠、碳酸氢钠、磷酸钠、碳酸钾、碳酸氢钾、磷酸钾、碳酸铵、碳酸氢铵、磷酸铵及其组合。在某些实施方式中,缓冲溶液具有约6至约8的pH值。
在某些实施方式中,机械搅拌步骤通过搅拌、震荡、超声波处理、涡流或其组合进行。在一些实施方式中,机械搅拌步骤通过分散桨混合器、搅拌混合器、螺杆混合器、锥形螺杆混合器、行星式搅拌混合器、空气射流混合器、高剪切混合器、超声波浴、超声波探头或其组合进行。
在一些实施方式中,步骤d)中的异质混合物在约35℃至约100℃的温度下加热。在一些实施方式中,步骤d)中的异质混合物在约55℃至约75℃的温度下加热。
在一些实施方式中,水基粘结剂材料选自由丁苯橡胶、丙烯酸化丁苯橡胶、丙烯腈-丁二烯橡胶、丁腈橡胶、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物、丙烯酸橡胶、丁基橡胶、氟橡胶、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、乙烯/丙烯共聚物、聚丁二烯、聚氧化乙烯、氯磺化聚乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯吡啶、聚乙烯醇、聚乙酸乙烯酯、聚表氯醇、聚磷腈、聚丙烯腈、聚苯乙烯、乳胶、丙烯酸树脂、酚醛树脂、环氧树脂、羧甲基纤维素、羟丙基纤维素、乙酸纤维素、乙酸丁酸纤维素、乙酸丙酸纤维素、氰乙基纤维素、氰乙基蔗糖、聚酯、聚酰胺、聚醚、聚酰亚胺、聚羧酸酯、聚羧酸、聚丙烯酸、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸、聚甲基丙烯酸酯、聚丙烯酰胺、聚氨酯、氟化聚合物、氯化聚合物、藻酸盐及其组合所构成的群组。
在某些实施方式中,有机粘结剂材料选自由聚四氟乙烯(PTFE)、全氟烷氧基聚合物(PFA)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、四氟乙烯(TFE)与六氟丙烯(HFP)的共聚物、氟化乙烯-丙烯(FEP)共聚物、四氟乙烯/六氟丙烯/偏二氟乙烯的三元共聚物及其组合所构成的群组。
在一些实施方式中,更细的电极材料进一步包含导电剂。
在某些实施方式中,阴极材料是LiNiO2、LiNixMnyO2、LiNixCoyO2、Li1+zNixMnyCo1-x- yO2、LiNixCoyAlzO2及其组合;其中每个x独立地为0.5至0.8;每个y独立地为0.1至0.4;并且每个z独立地为0至0.2。
在一些实施方式中,阳极材料为含碳材料。
在某些实施方式中,将更细的电极材料通过具有2-4mm的筛格宽度的筛网来筛选。在某些实施方式中,将更细的电极材料通过具有0.5-1.0mm的筛格宽度的筛网来筛选。
在一些实施方式中,更细的电极材料的分离通过过滤、倾析、沉降、离心或其组合进行。
在某些实施方式中,更细的电极材料的回收率至少是90%或至少是95%。在一些实施方式中,回收的更细的电极材料的杂质百分率小于2%、小于1%、小于0.5%、小于0.1%或小于0.05%。
附图说明
图1示出了本文所公开的方法的一种实施方式。
图2示出了高剪切混合器的一种实施方式的示意图。
具体实施方式
一般定义
术语“机械搅拌”是指将动能施加于与液体接触的固体混合物,以促进固体混合物在液体内的润湿。机械搅拌的一些非限制性示例包括混合、搅拌、震荡、超声波处理、涡流及其组合。
术语“水射流切割机”或“水射流切割器”是指能够使用极高压的水射流切割各种材料的工具。
术语“异质混合物”是指两个或更多个相的混合物。
术语“电极”是指“阴极”或“阳极”。
术语“正极”与阴极可互换使用。同样,术语“负极”与阳极可互换使用。
术语“粘结剂材料”是指用于保持电极材料和/或导电剂在适当位置并将其粘附到导电金属部件上以形成电极的化学品或物质。在一些实施方式中,电极不包含任何导电剂。
术语“水基粘结剂材料”是指水溶性或可分散于水的粘结剂聚合物。水基粘结剂材料的一些非限制性示例包括丁苯橡胶、丙烯酸化丁苯橡胶、丙烯腈-丁二烯橡胶、丙烯酸橡胶、丁基橡胶、氟橡胶、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、乙烯/丙烯共聚物、聚丁二烯、聚氧化乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚表氯醇、聚磷腈、聚丙烯腈、聚苯乙烯、乙烯/丙烯/二烯共聚物、聚乙烯吡啶、氯磺化聚乙烯、乳胶、聚酯树脂、丙烯酸树脂、酚醛树脂、环氧树脂、聚乙烯醇、羧甲基纤维素、羟丙基纤维素及其组合。
术语“有机粘结剂材料”是指可溶解或可分散于有机溶剂的粘结剂,尤其是N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)。有机粘结剂材料的一些非限制性示例包括聚四氟乙烯(PTFE)、全氟烷氧基聚合物(PFA)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、四氟乙烯(TFE)与六氟丙烯(HFP)的共聚物、氟化乙烯-丙烯(FEP)共聚物、四氟乙烯/六氟丙烯/偏二氟乙烯三元共聚物及其组合。
术语“导电金属部件”是指用于涂布电极材料和/或导电剂的支撑物。导电金属部件的一些非限制性示例包括铝薄板、铜薄板、金薄板、银薄板和铂薄板。
术语“导电剂”是指具有化学惰性并且具有良好导电性的材料。因此,在形成电极时导电剂常与电极活性材料混合以提高电极导电性。在一些实施方式中,导电剂为含碳材料。
术语“含碳材料”是指包括至少50mole%碳的任何材料。含碳材料的一些非限制性示例包括软碳、硬碳、焦炭、石墨、碳纳米管、碳纤维、石墨纤维、碳纳米纤维、石墨纳米纤维、碳黑、活性碳及其组合。
术语“超声发生器”是指可在样品中施加超声波能量以搅拌颗粒的设备。任何可用以分散异质混合物的超声发生器可以在本文中使用。超声发生器的一些非限制性示例包括超声波浴和探头式超声发生器。
术语“超声波浴”是指借助超声波浴的容器壁使超声波能量传递到样品液体中的装置。
术语“探头式超声发生器”是指浸没到介质中用于直接超声波处理的超声波探头。术语“直接超声处理”意指超声波与处理的液体直接耦联。
术语“分散桨混合器”是指包含容器和具有至少一个桨的可旋转切割构件的混合器。桨至少具有一个锋利的边缘。在一些实施方式中,可旋转切割构件具有基本垂直的旋转轴。转速可以以单位每分钟的转数(rpm)来表示,rpm是指旋转体在一分钟内完成的旋转次数。
术语“搅拌混合器”是指包含容器和具有至少一个臂的可旋转构件的混合器。在一些实施方式中,该臂是棒状的、桨状的或板状的。
术语“螺杆混合器”是指包含容器和放置在容器中间的垂直混合螺杆的混合器。该容器可以是圆柱形、球形或圆锥形。
术语“锥形螺杆混合器”是指包含朝向底部区域逐渐变细的容器,以及至少一个旋转驱动的混合螺杆的混合器,该混合螺杆平行于和沿着容器内壁移动。
术语“行星式混合器”是指可以用于混合或搅拌不同材料以生成均质混合物的设备,其由具有高速分散桨的单桨或双桨组成。
术语“空气射流混合器”是指包含具有穿孔的壁的容器和多个喷嘴的混合器,压缩气体或液体从喷嘴中向容器中的材料射出。
术语“冲击式破碎机”是指包含外壳、转子组件和多个围绕转子组件放置和配置用于破碎材料的砧座的装置。转子组件利用离心力将材料以高速甩出且,在与外壳壁或砧座接触时,材料破碎。重复该过程直到破碎的材料从出口释放。冲击式破碎机的一些非限制性示例包括水平冲击式破碎机和垂直冲击式破碎机。
术语“室温”是指约18℃至约30℃的温度,例如18℃、19℃、20℃、21℃、22℃、23℃、24℃、25℃、26℃、27℃、28℃、29℃或30℃。
在以下描述中,本文中所公开的所有数值都是近似值,无论词语“约”或“大致”是否结合其使用。这些数值可在1%、2%、5%或有时10%至20%的范围内变动。每当公开了具有下限RL和上限RU的数值范围时,落入所述范围内的任何数值均被具体公开。特别地,具体公开了所述范围内的以下数值:R=RL+k*(RU-RL),其中k是在1%至100%范围内具有1%的增量的变量,即,k是1%、2%、3%、4%、5%、……、50%、51%、52%、……、95%、96%、97%、98%、99%或100%。此外,还具体公开了如上定义的两个R数值所界定的任何数值范围。
本文提供一种回收锂离子电池的方法,其包含以下步骤:
a)将锂离子电池放电;
b)将锂离子电池切碎成碎片以提供结构部件、涂有阴极层的第一导电金属部件和涂有阳极层的第二导电金属部件的混合物;
c)将切碎的锂离子电池的碎片浸没到极性溶剂中以形成异质混合物;
d)使用机械搅拌处理异质混合物,持续约30分钟至约5小时的时段,以溶解在阴极层和阳极层中的粘结剂材料;
e)筛选经过处理的异质混合物以将结构部件、第一导电金属部件和第二导电金属部件与包含阴极和阳极材料的更细的电极材料分离,以提供包含由极性溶剂和更细的电极材料组成的悬浮液;以及
f)将悬浮液中更细的电极材料与极性溶剂分离;
其中极性溶剂是水、醇、酮或其组合;
其中阴极材料是选自由LiCoO2、LiNiO2、LiNixMnyO2、LiNixCoyO2、Li1+zNixMnyCo1-x-yO2、LiNixCoyAlzO2、LiV2O5、LiTiS2、LiMoS2、LiMnO2、LiCrO2、LiMn2O4、LiFeO2、LiFePO4及其组合构成的群组的锂过渡金属氧化物;其中每个x独立地为0.3至0.8;每个y独立地为0.1至0.45;并且每个z独立地为0至0.2;以及
其中阴极层和阳极层中的每一者的粘结剂材料独立地是水基粘结剂材料或水基粘结剂材料和有机粘结剂材料的混合物。
本发明意图克服常规回收方法的缺点,以提供具有更高效率、低成本和操作容易的回收锂离子电池的方法。根据本发明,可提供一种高效的以简易方式回收锂离子电池的方法。
图1为回收使用过的锂离子电池的过程的一种实施方式的流程图。本发明简化了废弃锂离子电池的回收方法并降低了操作成本。
在回收之前,将锂离子电池放电,因为电荷可能仍然存储在电池中。在一些实施方式中,通过将电池浸泡在含有导电盐的水溶液中,将仍然存储于电池中的电荷放出。在某些实施方式中,该水溶液为中性或碱性。放电操作的有益之处在能够确保安全。
在一些实施方式中,导电盐为或包含碱金属碳酸氢盐,例如碳酸氢钠(NaHCO3)和碳酸氢钾(KHCO3);碱金属碳酸盐,例如碳酸钠(Na2CO3)和碳酸钾(K2CO3);碱土金属碳酸盐,例如碳酸钙(CaCO3)和碳酸镁(MgCO3);碱金属氢氧化物,例如氢氧化钠(NaOH)和氢氧化钾(KOH);碱土金属氢氧化物,例如氢氧化钙(Ca(OH)2)、氢氧化镁(Mg(OH)2);或碱金属或碱土金属卤化物,例如氯化钠(NaCl)和氯化钙(CaCl2)或其组合。
可调节上述水溶液的电阻。溶液的电阻过小,会导致放电过于迅速的风险。另一方面,电阻过大将使得放电时间过长。在某些实施方式中,通过调节水溶液的浓度,溶液电阻可处于约0.1Ω至约10kΩ的范围内。
在某些实施方式中,水溶液中导电盐的总摩尔浓度为约1mol/L至约5mol/L、约1mol/L至约4mol/L、约1mol/L至约3mol/L、约2mol/L至约5mol/L、约2mol/L至约4mol/L、约2mol/L至约3mol/L或约4mol/L至约5mol/L。在此范围内,可将电池安全并且可控地放电。在其它实施方式中,用于放电的水溶液不包含任何导电盐。
在一些实施方式中,电池可在浸泡于水溶液之前进行穿孔。穿孔可通过冲击穿刺、锯条切割或任何其它的机械穿孔方法对电池组的外壳和壳体进行穿孔来形成。
放了电的电池随后被切碎成碎片以提供结构部件、涂有阴极层的第一导电金属部件和涂有阳极层的第二导电金属部件的混合物。
在某些实施方式中,锂离子电池通过水射流切割机或具有锯齿或刀片的装置切碎。切割机的操作可通过计算机监测,从而可自动调整切割机的速度以确保所得电池碎片具有所需尺寸。在一些实施方式中,拆卸锂离子电池来分离阴极电极和阳极电极。在某些实施方式中,锂离子电池在切碎前经历约100℃至约600℃的温度范围的热处理。在一些实施方式中,锂离子电池在切碎前不经过热处理。
锂二次电池的阴极可具有其中阴极层形成于第一导电金属部件上的结构。锂二次电池的阳极可具有其中阳极层形成于第二导电金属部件上的结构。导电金属部件充当集流器。任何具有优良导电性可用作集流器的金属可以在本文中使用。
在一些实施方式中,第一导电金属部件和第二导电金属部件中的每一者独立地选自由以下各者组成的群组:铝薄板、铜薄板、金薄板、银薄板和铂薄板。在某些实施方式中,第一导电金属部件为铝薄板。在一些实施方式中,第二导电金属部件为铜薄板。
每个电池通过切割机切割成更小的碎片。在某些实施方式中,切碎的锂离子电池的碎片具有约0.5英寸至约4.0英寸的平均长度。在一些实施方式中,切碎的锂离子电池的碎片具有约四分之一英寸或更小的平均长度。
本文所公开的方法不涉及拆解步骤。因此,可在不拆解的条件下处理大量的工作。
回收过程最大的挑战之一是由于使用许多有毒并且具挥发性的有机溶剂,导致回收工艺本身甚至产生毒性更强的化学物质,引起污染。因此,迫切需要发展可在水性介质或水中进行的环保回收工艺。此外,使用水性介质或水作为溶剂提供了许多优点,例如操作简单。
本文中所公开的回收方法是无毒并且环保的。将切碎的锂离子电池的碎片浸没到极性溶剂中以形成异质混合物。在一些实施方式中,极性溶剂是指含有水和除了水之外,可能含有醇等的溶液。在某些实施方式中,相对于水与除水外的溶剂的总量,水量为至少1%、至少2%、至少3%、至少4%、至少5%、至少10%、至少15%、至少20%、至少25%、至少30%、至少35%、至少40%、至少45%、至少50%、至少55%、至少60%、至少65%、至少70%、至少75%、至少80%、至少85%、至少90%或至少95%。在一些实施方式中,相对于水与除水外的溶剂的总量,水量为至多1%、至多2%、至多3%、至多4%、至多5%、至多10%、至多15%、至多20%、至多25%、至多30%、至多35%、至多40%、至多45%、至多50%、至多55%、至多60%、至多65%、至多70%、至多75%、至多80%、至多85%、至多90%或至多95%。在另一方面,上限是该溶剂仅仅由水组成,即水的比例是100vol.%。
在某些实施方式中,水与醇的重量比是约99:1至约1:99、约95:5至约5:95、约10:1至约1:10、约10:1至约1:1、约8:1至约3:1、约5:1至约3:1、约4:1至约2:1或约3:1至约1:3。在一些实施方式中,水与醇的重量比为约1:10、1:9、1:8、1:7、1:6、1:5、1:4、1:3、1:2、1:1、2:1、3:1、4:1、5:1、6:1、7:1、8:1、9:1或10:1。
醇的一些非限制性示例包括C2-C4醇、甲醇、乙醇、异丙醇、正丙醇、叔丁醇及其组合。
除了水的溶剂的一些非限制性示例包括低级脂肪酮,例如丙酮、二甲基酮、甲基乙基酮等;其它溶剂例如乙酸乙酯、乙酸异丙酯、乙酸丙酯及其组合。在一些实施方式中,挥发性溶剂的组分是甲基乙基酮、乙醇、乙酸乙酯或其组合。
在一些实施方式中,极性溶剂为水与酮的混合物。在进一步的实施方式中,酮选自丙酮、二乙基酮、甲基乙基酮、甲基异丁基酮和甲基丙基酮或其组合。在更进一步的实施方式中,水与酮的重量比为约5:95至约95:5。在某些实施方式中,水与酮的重量比为约1:10、1:9、1:8、1:7、1:6、1:5、1:4、1:3、1:2、1:1、2:1、3:1、4:1、5:1、6:1、7:1、8:1、9:1或10:1。
在某些实施方式中,用于浸没切碎的锂离子电池的碎片的极性溶剂为水。水的一些非限制性示例包括自来水、瓶装水、纯化水、纯水、蒸馏水、去离子水、D2O或其组合。在一些实施方式中,极性溶剂为去离子水。在某些实施方式中,水的pH为约6.5至约7.5。在一些实施方式中,水的pH为约7。
在某些实施方式中,极性溶剂不是有机溶剂或水和有机溶剂的混合物。在一些实施方式中,极性溶剂不是醇、丙酮或醚。在某些实施方式中,极性溶剂不是N-甲基-2-吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、四氢呋喃、甲酸、乙酸、草酸或柠檬酸。在一些实施方式中,极性溶剂不包括酸或碱。
在一些实施方式中,极性溶剂为包含选自由以下各者组成的群组的盐的缓冲溶液:碳酸锂、碳酸氢锂、磷酸锂、碳酸钠、碳酸氢钠、磷酸钠、碳酸钾、碳酸氢钾、磷酸钾、碳酸铵、碳酸氢铵、磷酸铵及其组合。在某些实施方式中,缓冲溶液具有约6至约8的pH值。在一些实施方式中,极性溶剂不是缓冲溶液。
在某些实施方式中,在机械搅拌下对异质混合物进行处理以帮助粘结剂材料溶解。任何适合的方法可用于搅拌异质混合物。适合的搅拌方法的一些非限制性示例可通过机械搅拌、磁性搅拌、震荡、超声波处理、涡流及其组合实现。
在一些实施方式中,利用超声发生器进行机械搅拌。本文可以使用任何可以在样品中施加超声波能量以搅拌颗粒的超声发生器。在一些实施方式中,超声发生器是探头式超声发生器或超声波浴。
在某些实施方式中,超声发生器在约10W/L至约100W/L、约40W/L至约60W/L、约20W/L至约100W/L、约30W/L至约100W/L、约40W/L至约80W/L、约40W/L至约70W/L、约40W/L至约50W/L或约50W/L至约60W/L的功率密度下运行。
超声波搅拌的一个优点是其能够减少处理时间。但是,在放大期间,超声波的穿透性差所引起的问题值得重点关注。当处理大量样品时应增加超声波处理的振幅,这是因为随着样品量的增加,样品对超声波移动的阻力也增加。因此,需要高幅度(即高强度),以便获得所需的机械振动。
但是,高幅度的超声波处理可引起超声换能器性能迅速转差,导致超声波在液体介质中的传导变差。当使用较大容器时,此问题变得更严重。另一方面,用于大规模操作的超声波设备的投资成本较高并且能量成本也比机械搅拌处理要高。
在一些实施方式中,可机械搅拌异质混合物。在某些实施方式中,可超声波搅拌异质混合物。在一些实施方式中,利用容器或罐中的搅拌器来进行机械搅拌。搅拌器的一些非限制性示例包括分散桨混合器、搅拌混合器、行星式搅拌混合器、螺杆混合器、锥形螺杆混合器和高剪切混合器。在某些实施方式中,利用空气射流混合器机械搅拌异质混合物。在一些实施方式中,搅拌装置不是超声发生器、分散桨混合器、搅拌混合器、行星式搅拌混合器、螺杆混合器、锥形螺杆混合器、高剪切混合器或空气射流混合器。
使用机械搅拌的主要优点是其允许从实验室规模可靠地放大到中试或更大规模。机械搅拌的其它优点包括简单的机械构造、简单的维护和较低的操作成本,尤其是降低了能量和冷却水成本,因为使用机械搅拌将减少对于冷却水的需求。
在一些实施方式中,可以进行机械搅拌至一段足以将电极材料从导电金属部件剥离的时间段。在某些实施方式中,该时间段为约1小时至约10小时、约1小时至约8小时、约1小时至约6小时、约1小时至约4小时、约1小时至约3小时、约1小时至约2小时、约2小时至约6小时、约15分钟至约2小时或约30分钟至约2小时。在一些实施方式中,该时间段至少约为30分钟、至少约为1小时、至少约为2小时、至少约为3小时、至少约为4小时、至少约为5小时、至少约为6小时、至少约为7小时、至少约为8小时、至少约为9小时或至少约为10小时。在某些实施方式中,该时间段少于约10小时、少于约9小时、少于约8小时、少于约7小时、少于约6小时、少于约5小时、少于约4小时、少于约3小时、少于约2小时或少于约1小时。
一般来说,当通过无桨形搅拌器例如搅拌混合器进行机械搅拌,且搅拌时间小于30分钟时,粘结剂材料的溶解量相对较小并且大量的电极材料仍粘附于导电金属部件上。这最终将减少回收的电极材料的量。当扩大LIB的回收规模时尤其如此。
在一些实施方式中,异质混合物在机械搅拌前在极性溶剂中浸泡持续约1小时至约5小时的时段。在其它实施方式中,异质混合物在机械搅拌前不浸泡。已经发现单独浸泡在例如水的极性溶剂中不足以将电极层从导电金属部件上移除,且机械搅拌前的浸泡不能增加回收率。
机械搅拌对于从导电金属部件移除电极层是至关重要的。需要混合器产生的剪切力将电极层从导电金属部件移除。电池碎片之间的碰撞也可以辅助电极层从导电金属部件移除。
在一些实施方式中,搅拌器是分散桨混合器。在某些实施方式中,分散桨混合器包含放置在混合器中间的至少一个锋利边缘的桨。在一些实施方式中,分散桨的转速是约1,000rpm至约50,000rpm、约5,000rpm至约50,000rpm、约10,000rpm至约50,000rpm或约10,000rpm至约30,000rpm。在某些实施方式中,分散桨的转速是约1,000rpm、约5,000rpm、约10,000rpm、约30,000rpm或约50,000rpm。在一些实施方式中,分散桨的转速小于约50,000rpm、小于约30,000rpm、小于约10,000rpm或小于约5,000rpm。
在某些实施方式中,当异质溶液被至少一个桨搅拌时,利用桨的锋利边缘将强横向剪切力施加在阴极层/阳极层涂覆的导电金属部件上。横向剪切力导致阴极层/阳极层涂覆的导电金属部件的碎片变得更小。因此,从导电金属部件剥离的更细的电极材料具有与导电金属部件相似的尺寸。这使得难以通过筛分从异质混合物中分离更细的电极材料。大量的结构部件和导电部件附着在更细的电极材料上。
在一些实施方式中,向异质混合物中加入塑料珠。珠与电极板之间的碰撞可以增强电极材料从电极的剥离,从而增加回收率。因此,可以使用较低的搅拌速度来减少收集到的更细的电极材料的杂质量,同时仍保持回收率。在机械搅拌异质混合物后,塑料珠可以被过滤从而不会污染更细的电极材料。
在一些实施方式中,塑料珠与切碎的电池的质量比是约1:10至约1:100、约1:20至约1:100、约1:40至约1:100、约1:60至约1:100或约1:80至约1:100。在某些实施方式中,塑料珠与切碎的电池的质量比是约1:10、约1:20、约1:30、约1:40、约1:60、约1:80或约1:100。在一些实施方式中,塑料珠的直径是约0.1mm至约3mm、约0.1mm至约2mm、约0.1mm至约1mm或约0.1mm至约0.5mm。在某些实施方式中,塑料珠的直径是约0.1mm、约0.5mm、约1mm、约2mm或约3mm。在一些实施方式中,塑料珠的直径小于约3mm、小于约2mm、小于约1mm、小于约0.5mm或小于约0.1mm。
在某些实施方式中,搅拌器是搅拌混合器。在一些实施方式中,搅拌混合器包含放置在混合器中心的至少一个棒状桨。在某些实施方式中,搅拌混合器的转速是约50rpm至约3,000rpm、约50rpm至约2,000rpm、约50rpm至约1,500rpm、约50rpm至约1,000rpm、约50rpm至约500rpm或约50rpm至约200rpm。在一些实施方式中,搅拌混合器的转速是约50rpm、约100rpm、约200rpm、约500rpm、约1,000rpm、约1,500rpm、约2,000rpm或约3,000rpm。
在一些实施方式中,搅拌器是行星式搅拌混合器。在某些实施方式中,行星式搅拌混合器包含具有至少一个高速分散桨的至少一个单行星式桨或双行星式桨。在某些实施方式中,高速分散桨的转速是约500rpm至约2,500rpm、约1,000rpm至约3,000rpm、、约1,000rpm至约2,500rpm、约1,500rpm至约2,500rpm或约2,000rpm至约2,500rpm。在一些实施方式中,行星式桨的转速是约20rpm至约150rpm、约30rpm至约100rpm、约50rpm至约300rpm、约50rpm至约200rpm、约100rpm至约300rpm或约200rpm至约300rpm。
在某些实施方式中,搅拌器是螺杆混合器。在一些实施方式中,螺杆是左手螺旋或右手螺旋。在某些实施方式中,螺杆沿其垂直轴线顺时针或逆时针旋转。在一些实施方式中,螺杆的转速是约100rpm至约1,000rpm、约100rpm至约800rpm、约100rpm至约600rpm、约100rpm至约400rpm或约100rpm至约200rpm。
在一些实施方式中,搅拌器是锥形螺杆混合器。在某些实施方式中,锥形螺杆混合器包含一个螺杆。在其它实施方式中,锥形螺杆混合器包含两个螺杆。在某些实施方式中,锥形螺杆混合器包含从混合器的中间向外围延伸的至少一个臂。螺杆从臂的末端延伸且沿着混合器的外围向下倾斜。该臂可以围绕着锥形螺杆混合器的容器,且螺杆可以自转。在一些实施方式中,臂的转速是约30rpm至约300rpm、约30rpm至约250rpm、约30rpm至约200rpm或约50rpm至约150rpm。在某些实施方式中,螺杆的转速是约100rpm至约1,000rpm、约100rpm至约800rpm、约100rpm至约600rpm、约100rpm至约400rpm或约100rpm至约200rpm。
在一些实施方式中,搅拌混合器是空气射流混合器。在某些实施方式中,空气射流从混合器壁的孔中射出。在一些实施方式中,空气射流的压力是约0.01MPa至约10MPa、约0.01MPa至约1MPa或约0.1MPa至约1MPa。在某些实施方式中,水射流从孔中射出。
通常,当使用分散桨混合器时,可以得到满意的回收率。然而,桨的锋利边缘会将异质混合物中的材料切成小片。因此,收集到的电极材料被例如导电金属部件的杂质污染。
相比于分散桨混合器,使用搅拌混合器、螺杆混合器、锥形螺杆混合器、行星式搅拌混合器或空气射流混合器可以获得具有低杂质含量的电极材料。然而,令人惊讶的是,使用行星式搅拌混合器或搅拌混合器的搅拌系统不足以将包含例如LiNi0.8Co0.15Al0.05O2(NCA)和LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2(NMC622)高镍阴极材料的电极层从导电金属部件移除。延长搅拌时间对提高效率没有显著影响。搅拌和超声搅拌的综合效果也没有改善。怀疑是水性阴极浆液的强碱性引起的铝集流器的腐蚀造成阴极电极层和铝集流器之间的强粘结力。在上述机械搅拌器中,作用于异质混合物中的材料的剪切力作用不足。
在一些实施方式中,搅拌器是高剪切混合器。图2是示出使用高剪切混合器搅拌异质混合物的实施方式的图。高剪切混合器包含具有上部9a和下部锥形逐渐变细的部分9b的混合容器9。在某些实施方式中,上部9a是圆柱形或锥形。混合容器9包含在上部9a的进料口8,其用于放入切碎的锂离子电池的小片,和在下部9b的出料口10,其用于排出在容器中产生的异质混合物。
图2示出的高剪切混合器包含在混合容器9中心垂直放置的螺杆1。螺杆1包含旋转轴1a和螺旋形围绕在螺杆1的旋转轴1a的螺旋状的桨1b。螺杆1的旋转轴1a连接到驱动装置。在某些实施方式中,驱动装置是电动马达11。在一些实施方式中,螺旋状的桨1b从螺杆1的轴向端逆时针绕着螺杆1的旋转轴1a旋转。因此,通过顺时针旋转螺杆1(在图2中用箭头R2表示的方向),螺杆1周围的混合材料M被推向上方。当材料M被推向上方,同时被离心地推动。因此,螺杆1在材料M附近产生了上升和离心流。
在一些实施方式中,螺杆1的转速是约500rpm至约2,500rpm、约500rpm至约2,000rpm、约500rpm至约1,500rpm、约1,000rpm至约2,500rpm或约1,000rpm至约2,000rpm。在某些实施方式中,螺杆1的转速是约500rpm、约1,000rpm、约1,500rpm、约2,000rpm或约2,500rpm。
高剪切混合器包含用于在下方和向心方向推动混合材料M的旋转部件2。在一些实施方式中,高剪切混合器包含两个或多个旋转部件2。旋转部件2包含与螺杆1的旋转轴1a同轴放置的旋转部件2的筒状旋转轴7,从旋转部件2的旋转轴7水平径向延伸的一对旋转臂6,从旋转臂6垂直延伸的支承杆4,固定在支承杆4上的搅拌桨3,以及连接到旋转部件2的调流板5。搅拌桨3包含上部3a,其相对于旋转部件2的旋转方向向前弯曲,从而向下推进材料,固定在支承杆4上的中间部件3b,以及相对于径向呈倾斜状以向心地推动材料的下部3c。搅拌桨3沿着混合容器9的内壁上下延伸。
调流板5放置在螺杆1和搅拌桨3之间以向混合的材料M传递向心运动。在某些实施方式中,可以用具有支承杆4和搅拌桨3的结构代替调流板5,来增加通过混合材料M的碰撞带来的剪切摩擦。在一些实施方式中,可以省去调流板5。旋转部件2通过电动马达12来驱动。
在一些实施方式中,旋转部件2的转速是约50rpm至约1,000rpm、约50rpm至约800rpm、约50rpm至约600rpm、约50rpm至约500rpm或约50rpm至约300rpm。在一些实施方式中,旋转部件2的转速是约50rpm、约100rpm、约250rpm、约300rpm、约500rpm或约1,000rpm。
在某些实施方式中,在高剪切混合器中搅拌异质混合物约5分钟至约5小时、约5分钟至约3小时、约5分钟至约2小时、约5分钟至约1小时、约5分钟至约30分钟、约15分钟至约1小时、约30分钟至约5小时、约30分钟至约2小时、约30分钟至约1小时、约1小时至约5小时或约2小时至约5小时。在一些实施方式中,在高剪切混合器中搅拌异质混合物少于约2小时、少于约1小时、少于约30分钟、少于约20分钟或少于约10分钟。在某些实施方式中,在高剪切混合器中搅拌异质混合物至少约10分钟、至少约20分钟、至少约30分钟、至少约1小时、至少约2小时、至少约3小时、至少约4小时或至少约5小时。
通过在相反方向旋转螺杆1和旋转部件2,容器中螺杆1周围的材料被推向上方和外侧,以及旋转桨3周围的材料被推向下方和内侧。因此,被离心和向心推动的材料在螺杆1和旋转桨3之间的区域彼此产生碰撞,以形成高压区域。在该区域,材料经历强烈的剪切摩擦。由于混合容器9中的异质混合物可以通过对流进行有效循环,同时在碎片之间引起碰撞,可以短时高效地从铝集流器上移除阴极电极层。此外,由于剪切摩擦引起阴极层从导电金属部件剥离,导电金属部件和结构部件没有变成小的片状物或颗粒,而保持可辨别的片状物。因此,获得低杂质率的更细的电极材料。高剪切混合器的另一优点是在短处理时间内,甚至在大规模处理期间,仍可以获得高回收率。本文可以使用任何可以用机械搅拌处理异质混合物的温度。在一些实施方式中,粘结剂材料是水基的并且可溶于冷水中。在某些实施方式中,处理温度为约14℃、约16℃、约18℃、约20℃、约22℃、约24℃或约26℃。在某些实施方式中,机械搅拌可在室温下进行。在一些实施方式中,机械搅拌可在低于30℃、低于25℃、低于22℃、低于20℃、低于15℃或低于10℃的温度下进行。在处理异质混合物后,阴极层和阳极层与导电金属部件分离并且电极材料颗粒从电极层脱落。
升高温度可以提高分离效率。在某些实施方式中,机械搅拌可在约35℃至约100℃、约35℃至约80℃、约35℃至约60℃、约35℃至约50℃、约55℃至约100℃、约55℃至约75℃或约55℃至约65℃的加热温度下进行。在热处理过程之后,由于阴极层和阳极层与导电金属部件之间的热膨胀差异,阴极层和阳极层可容易地与导电金属部件分开。在某些实施方式中,机械搅拌在室温下进行。在其它实施方式中,机械搅拌在低于20℃、低于25℃、低于30℃、低于35℃、低于40℃、低于50℃、低于60℃、低于70℃、低于80℃、低于90℃或低于100℃的温度下进行。
在一些实施方式中,粘结剂材料是水基粘结剂材料与有机粘结剂材料的混合物。美国专利公开号US20130034651 A1公开了例如PVDF的有机粘结剂材料可用于制造电池电极的水基浆液中,前提是该浆液包含PVDF与其它水基粘结剂材料的组合。已发现本文所公开的方法也可适用于上述粘结剂系统并且阴极层和阳极层可与导电金属部件分离。
但是,纯的有机粘结剂难以溶解,因为其在水中的溶解性很低。在此情况下,阴极层和阳极层与导电金属部件之间的粘附强度仍然很强,并且因此阴极层和阳极层不大可能与导电金属部件分开。
正极包括第一导电金属部件支撑的阴极层。通常,第一导电金属部件是铝或其它金属/导电箔基板。阴极层至少含有一种阴极材料和一种粘结剂材料。阴极层可进一步包含用于增强阴极层的导电性的导电剂。正极可包括大量的粘结剂材料,例如聚合物粘结剂,并且粘结剂材料用于将阴极材料粘合到第一导电金属部件。
负极包括第二导电金属部件支撑的阳极层。通常,第二导电金属部件是铜或其它金属/导电箔基板。阳极层至少含有一种阳极材料和一种粘结剂材料。阳极层可进一步包含用于增强阳极层的导电性的导电剂。负极可包括大量的粘结剂材料用于将阳极材料粘合到第二导电金属部件。
在某些实施方式中,在阴极层和阳极层的粘结剂材料是相同的或不同的。在一些实施方式中,粘结剂材料为或包含水基粘结剂材料,或水基粘结剂材料与有机粘结剂材料的混合物。在某些实施方式中,粘结剂材料不是有机粘结剂材料或水基粘结剂材料与有机粘结剂材料的混合物。
在某些实施方式中,水基粘结剂材料选自由不饱和聚合物、共轭二烯聚合物、丁苯橡胶、丙烯酸化丁苯橡胶、丙烯腈-丁二烯橡胶、丁腈橡胶、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物、橡胶、丙烯酸橡胶、丁基橡胶、氟橡胶、聚四氟乙烯、聚烯烃、聚乙烯、聚丙烯、乙烯/丙烯共聚物、聚丁二烯、聚氧化乙烯、氯磺化聚乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯吡啶、聚乙烯化合物、聚乙烯醇、聚乙酸乙烯酯、聚表氯醇、聚磷腈、聚丙烯腈、聚苯乙烯、乳胶、丙烯酸树脂、酚醛树脂、环氧树脂、纤维素、羧甲基纤维素、羟丙基纤维素、乙酸纤维素、乙酸丁酸纤维素、乙酸丙酸纤维素、氰乙基纤维素、氰乙基蔗糖、聚酯、聚酰胺、聚醚、聚酰亚胺、聚羧酸酯、聚羧酸、聚丙烯酸、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸、聚甲基丙烯酸酯、聚丙烯酰胺、聚氨酯、卤代聚合物、氟化聚合物、氯化聚合物、藻酸盐及其组合所构成的群组。
聚乙烯化合物的一些非限制性示例包括由例如N-乙烯基甲酰胺和N-乙烯基乙酰胺等N-乙烯基酰胺单体组成或含有这些单体的聚乙烯化合物。聚-N-乙烯基化合物的特征在于良好的润湿性。本文中也可使用均聚物、共聚物和嵌段共聚物。在一些实施方式中,聚乙烯化合物为随机、嵌段或交替互聚物。在进一步的实施方式中,聚乙烯化合物为二嵌段、三嵌段或其它多嵌段互聚物。
橡胶的一些非限制性示例包括天然橡胶、异戊二烯橡胶、丁二烯橡胶、氯丁二烯橡胶、丁苯橡胶和丁腈橡胶。这些橡胶含有不饱和双键。在一些实施方式中,橡胶为随机、嵌段或交替互聚物。在进一步的实施方式中,橡胶为二嵌段、三嵌段或其它多嵌段互聚物。不饱和聚合物的一般特征为良好的粘附特性。
在某些实施方式中,藻酸盐包含选自Na、Li、K、Ca、NH4、Mg、Al或其组合的阳离子。
在一些实施方式中,水基粘结剂材料为含有羧酸基、磺酸基或其组合的单体。
含有羧酸基的单体的一些非限制性示例包括单羧酸、二羧酸、二羧酸酸酐和其衍生物。单羧酸的一些非限制性示例包括丙烯酸、甲基丙烯酸、巴豆酸、2-乙基丙烯酸和异巴豆酸。二羧酸的一些非限制性示例包括顺丁烯二酸、反丁烯二酸、衣康酸和甲基顺丁烯二酸。二羧酸酸酐的一些非限制性示例包括顺丁烯二酸酐、丙烯酸酐、甲基顺丁烯二酸酐和二甲基顺丁烯二酸酐。
具有磺酸基的单体的一些非限制性示例包括乙烯基磺酸、甲基乙烯基磺酸、(甲基)烯丙基磺酸、苯乙烯磺酸、(甲基)丙烯酸-2-乙基磺酸酯、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、3-烯丙氧基-2-羟基丙磺酸和2-(N-丙烯酰基)氨基-2-甲基-1,3-丙烷-二磺酸。
在一些实施方式中,有机粘结剂材料选自由聚四氟乙烯(PTFE)、全氟烷氧基聚合物(PFA)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、四氟乙烯(TFE)与六氟丙烯(HFP)的共聚物、氟化乙烯-丙烯(FEP)共聚物、四氟乙烯/六氟丙烯/偏二氟乙烯三元共聚物及其组合。在其它实施方式中,有机粘结剂材料不是聚四氟乙烯(PTFE)、全氟烷氧基聚合物(PFA)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、四氟乙烯(TFE)与六氟丙烯(HFP)的共聚物、氟化乙烯-丙烯(FEP)共聚物或四氟乙烯/六氟丙烯/偏二氟乙烯三元共聚物。
在某些实施方式中,在电极层中的水基粘结剂材料与有机粘结剂材料的质量比是约10:1至约1:10、约10:1至约1:1、约10:1至约2:1、约10:1至约4:1、约10:1至约6:1或约10:1至约8:1。在一些实施方式中,在电极层中的水基粘结剂材料与有机粘结剂材料的质量比是约10:1、约8:1、约6:1、约4:1、约2:1或约1:1。
在粘结剂材料溶解之后,筛选处理后的异质混合物以将结构部件、第一导电金属部件和第二导电金属部件与包含阴、阳极材料的更细的电极材料分开,以提供包含由极性溶剂和更细的电极材料组成的悬浮液。
在某些实施方式中,将更细的电极材料通过具有2mm与4mm之间的筛格宽度的筛网来进行筛选。在一些实施方式中,将更细的电极材料通过具有0.5mm与1.0mm之间的筛格宽度的筛网来进行筛选。
在一些实施方式中,更细的电极材料进一步包含导电剂。在此情况下,上述悬浮液包含极性溶剂和更细的电极材料,该更细的电极材料含有阴、阳极材料和导电剂。
在某些实施方式中,阴极材料为锂金属氧化物。在进一步的实施方式中,锂金属氧化物选自由LiNiO2、Li1+zNixMnyO2、Li1+zNixMnyCo1-x-yO2、Li1+zNixCoyAlzO2、LiV2O5、LiTiS2、LiMoS2、LiMnO2、LiCoO2(LCO)、LiCrO2、LiMn2O4(LMO)、LiFePO4(LFP)及其组合所构成的群组,其中各个x独立地是0.3至0.8;各个y独立地是0.1至0.45;以及各个z独立地是0至0.2。
在一些实施方式中,锂金属氧化物可包括具有各种Ni:Mn:Co比率,例如1:1:1、5:3:2、4:4:2、8:1:1的NMC(Li1+zNixMnyCo1-x-yO2)。在某些实施方式中,锂金属氧化物是LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2(NMC333)、LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2(NMC532)、LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2(NMC622)、LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2(NMC811)、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2(NCA)及其组合。在其它实施方式中,锂金属氧化物不是LiNiO2、Li1+zNixMnyO2、Li1+zNixMnyCo1-x-yO2、Li1+zNixCoyAlzO2、LiV2O5、LiTiS2、LiMoS2、LiMnO2、LiCoO2、LiCrO2、LiMn2O4或LiFePO4,其中各个x独立地是0.3至0.8;各个y独立地是0.1至0.45;以及各个z独立地是0至0.2。在某些实施方式中,锂金属氧化物不是LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2(NMC333)、LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2(NMC532)、LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2(NMC622)、LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2(NMC811)或LiNi0.8Co0.15Al0.05O2(NCA)。
在某些实施方式中,阳极材料选自由天然石墨颗粒、合成石墨颗粒、Sn颗粒、Li4Ti5O12颗粒、Si颗粒、Si-C复合颗粒及其组合所构成的群组。
在一些实施方式中,导电剂为含碳材料。在某些实施方式中,含碳材料为软碳、硬碳、焦炭、石墨、碳纳米管、碳纤维、石墨纤维、碳纳米纤维、石墨纳米纤维、碳黑、活性碳或其组合。
在筛选步骤之后,将悬浮液中更细的电极材料与极性溶剂分离。阴极材料和阳极材料可同时回收,从而简化了回收方法。分离的电极材料可容易地被收集并且电极材料的回收率很高。
更细的电极材料的分离可通过本领域中已知的多种方法,包括(但不限于)过滤、倾析、沉降和离心来实现。
在一些实施方式中,悬浮液中的更细的电极材料可通过过滤从极性溶剂中收集。适合的过滤方法包括重力过滤、压力过滤或真空过滤。
当在异质混合物中的电池碎片的数量大时,且机械搅拌时间太长(例如约5小时)时,观察到剥离的水基粘结剂材料可形成胶体,当在异质混合物中的电池碎片的数量大时,胶体往往会形成絮凝物。这种情况下,筛网的孔往往会快速地被胶体堵塞,从而导致筛网变得部分或完全不能使用。意外地,发现通过使用缓冲溶液可抑制胶体的形成,并因此可缩短相关工艺所需的时间并且提高筛选效率。
在一些实施方式中,更细的电极材料的回收率是至少80%、至少85%、至少90%或至少95%。在某些实施方式中,更细的电极材料的回收率是约90%、约91%、约92%、约93%、约94%、约95%、约96%、约97%、约98%或约99%。
在一些实施方式中,回收的更细的电极材料的杂质百分率小于10%、小于8%、小于6%、小于4%、小于2%、小于1%、小于0.5%、小于0.1%或小于0.05%。
通常,当电极涂层被干燥和固化,然后被压缩到砑光机以增加电极涂层的密度。相比于阳极电极层,阴极电极层具有更高的压缩密度,由此提高能量密度。因此,更难以将阴极电极层从阴极集流器分离。
本文中所公开的回收方法涉及水基回收技术,其不需要高温或强酸环境,水性的工艺过程使其格外环保。此外,本文中所公开的方法简单并且容易进行规模放大并且操作成本低。
以下实施例用于示例性的描述本发明的实施方式,但并不意图将本发明限制于所列举的特定实施方式。除非有相反地指示,否则所有份数和百分比都按重量计。所有数值都是近似值。当涉及数值范围时,应了解在所述范围外的实施方式仍可处于本发明的范围内。每个实施例中描述的特定细节不应解释为本发明的必需特征。
实施例
通过电感耦合等离子体质谱仪(来自PerkinElmer,Inc.,)测量分离的电极材料的杂质率。
实施例1
全锂离子软包电池的组装
正极的制备
对于正极的制备,将94wt.%的阴极材料(NMC333)(LNMC TLM 310,从中国新乡天力锂能股份有限公司(Xinxiang Tianli Energy Co.Ltd.,China)获得)、3wt.%的作为导电剂的碳黑(SuperP;从瑞士博迪奧特密高有限公司(Timcal Ltd,Bodio,Switzerland)获得)和3wt.%的作为粘结剂的聚丙烯腈(LA 132,中国成都茵地乐电源科技有限公司(Chengdu Indigo Power Sources Co.,Ltd.,China))分散于去离子水中以形成具有50wt.%固体含量的浆液。接着使用刮刀涂布机(从中国深圳科晶智达科技有限公司(Shenzhen KejingStar Technology Ltd.,China)获得;型号MSK-AFA-III)将浆液均匀地涂覆到作为集流器的铝箔上并在50℃下干燥12小时以获得阴极铝片。
负极的制备
对于负极的制备,将90wt.%的硬碳(HC;纯度99.5%,从中国广东深圳瑞福特科技有限公司(Ruifute Technology Ltd.,Shenzhen,Guangdong,China)获得)与5wt.%的作为粘结剂的聚丙烯腈和5wt.%的作为导电剂的碳黑分散于去离子水中以形成具有50wt.%固体含量的另一浆液。接着使用刮刀涂布机将浆液均匀地涂覆到作为集流器的铜箔上并在50℃下干燥12小时以获得阳极铜片。
软包电池的组装
在干燥之后,将所得的阴极片和阳极片切成方形片,分别制备尺寸为8cm×12cm的阴极片和阳极片。将阴极片和阳极片以交替方式堆叠,阴、阳极片之间以25μm厚度的多孔聚乙烯隔膜(美国赛尔加德LLC公司(Celgard,LLC,US))间隔,从而制备得到软包电池。电解液是在以体积比为1:1:1的碳酸亚乙酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二甲酯(DMC)的混合物中的LiPF6(1M)的溶液。电池在具有湿度和氧含量<1ppm的高纯度氩气气氛中组装。在电解液填充之后,将软包电池真空密封并且接着使用具有标准形状的冲压模具进行机械按压。
接着将组装好的软包电池以3.0V与4.2V之间的1C的恒定电流速率进行重复充电和放电循环,以模拟现实的使用模式。实际电池容量为约5Ah。在800次循环之后,额定容量下降到其初始额定容量的80%以下。
电池的回收
用过的锂离子电池(0.5kg)通过浸泡在6%NaCl溶液中12小时而完全放电。在放电之后,通过水射流切割机(YCWJ-3038-L2015-1D,来自中国江苏YC工业有限公司(YCIndustry Co.,Ltd,Jiangsu,China))将锂离子电池切碎成碎片。将具有约0.5英寸至约1.0英寸平均长度的切碎的锂离子电池碎片在20℃下浸没到去离子水(5L)中以形成异质混合物。将该混合物在20℃下用分散桨混合器(10L,来自Chienemei Industry Co.Ltd.,中国)机械搅拌1小时。混合桨的转速是15,000rpm。阴极材料与铝箔得以分离,同时阳极材料从铜箔脱落。在搅拌之后,通过具有4mm筛格宽度的筛网将结构部件、铜箔和铝箔去除,从而得到包含由水和电极材料组成的悬浮液。在去除结构部件、铜箔和铝箔之后,将该悬浮液过滤,以获得电极材料。将回收的电极材料置于80℃的烘箱中,在大气压下干燥5小时,最终产率为90%。阴极和阳极的回收条件和配方在表1中示出。回收结果在表3中示出。
实施例2
全锂离子软包电池的组装
软包锂离子电池根据实施例1来制备。将组装好的软包电池以3.0V与4.2V之间的1C的恒定电流速率进行重复充电和放电循环,以模拟现实使用模式。实际电池容量为约5Ah。在800次循环之后,额定容量下降到其初始额定容量的80%以下。
用过的锂离子电池(约20kg)通过浸泡在6%NaCl溶液中12小时而完全放电。在放电之后,通过水射流切割机(YCWJ-3038-L2015-1D,来自中国江苏YC工业有限公司)将锂离子电池切碎成碎片。将具有约0.5英寸至约1.0英寸平均长度的切碎的锂离子电池的碎片在20℃下浸没到去离子水(25L)中以形成异质混合物。该混合物通过超声波探头(NP2500;从广州市新栋力超声电子设备有限公司(Guangzhou Newpower Ultrasonic ElectronicEquipment Co.,Ltd.,China)获得)在200W的输入功率下于20℃下搅拌2小时。阴极材料与铝箔得以分离,同时阳极材料从铜箔脱落。在超声波处理之后,通过具有4mm筛格宽度的筛网将结构部件、铜箔和铝箔去除,从而得到包含由水和电极材料组成的悬浮液。在去除结构部件、铜箔和铝箔之后,将该悬浮液过滤,以获得电极材料。将回收的电极材料置于80℃的烘箱中,在大气压下干燥5小时,最终产率为63%。阴极和阳极的回收条件和配方在表1中示出。回收结果在表3中示出。
实施例3
全锂离子软包电池的组装
软包锂离子电池根据实施例1来制备。将组装好的软包电池以3.0V与4.2V之间的1C的恒定电流速率进行重复充电和放电循环,以模拟现实的使用模式。实际电池容量为约5Ah。在800次循环之后,额定容量下降到其初始额定容量的80%以下。
电池的回收
用过的锂离子电池(约20kg)通过浸泡在6%NaCl溶液中12小时而完全放电。在放电之后,通过水射流切割机(YCWJ-3038-L2015-1D,来自中国江苏YC工业有限公司)将锂离子电池切碎成碎片。将具有约0.5英寸至约1.0英寸平均长度的切碎的锂离子电池的碎片在20℃下浸没到去离子水(25L)中以形成异质混合物。将该混合物在20℃下用分散桨混合器(30L,来自Chienemei Industry Co.Ltd.,中国)机械搅拌2小时。阴极材料与铝箔得以分离,同时阳极材料从铜箔脱落。在搅拌之后,通过具有4mm筛格宽度的筛网将结构部件、铜箔和铝箔去除,以得到包含由水和电极材料组成的悬浮液。在去除结构部件、铜箔和铝箔之后,将该悬浮液过滤,以获得电极材料。将回收的电极材料置于80℃的烘箱中,在大气压下干燥5小时,最终产率为93%。阴极和阳极的回收条件和配方在表1中示出。回收结果在表3中示出。
实施例4
全锂离子软包电池的组装
正极的制备
对于正极的制备,将92wt.%的阴极材料(LMO)(LiMn2O4,从中国青岛华冠恒源利特有限公司(HuaGuan HengYuan LiTech Co.Ltd.,Qingdao,China)获得)、3wt.%的作为导电剂的碳黑(SuperP;从瑞士博迪奧特密高有限公司获得)和作为粘结剂的1wt.%的羧甲基纤维素(CMC,BSH-12,日本DKS株式会社(DKS Co.Ltd.,Japan))、3wt.%的丁苯橡胶(SBR)(AL-2001,日本A&L公司(NIPPON A&L INC.,Japan))和2wt.%的聚偏二氟乙烯(PVDF;5130,从比利时苏威S.A.(Solvay S.A.,Belgium)获得)分散于N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP;纯度≥99%,美国西格玛-奥德里奇公司(Sigma-Aldrich,USA))中以形成具有50wt.%固体含量的浆液。接着使用刮刀涂布机将浆液均匀地涂覆到作为集流器的铝箔上并在50℃下干燥12小时以获得阴极铝片。
负极的制备
对于负极的制备,将90wt.%的硬碳(HC;纯度99.5%,从中国广东深圳瑞福特科技有限公司获得)与作为粘结剂的1.5wt.%的CMC(BSH-12,日本DKS株式会社)和3.5wt.%的SBR(AL-2001,日本A&L公司)和5wt.%的作为导电剂的碳黑分散于去离子水中以形成具有50wt.%固体含量的另一浆液。接着使用刮刀涂布机将浆液均匀地涂覆到作为集流器的铜箔上并在50℃下干燥12小时以获得阳极铜片。
软包电池的组装
在干燥之后,将所得的阴极片和阳极片切成方形片,分别来制备尺寸为8cm×12cm的阴极片和阳极片。将阴极片和阳极片以交替方式堆叠,阴、阳极片之间以25μm厚度的多孔聚乙烯隔膜(美国赛尔加德LLC公司)间隔,从而制备得到软包电池。电解液是在以体积比为1:1:1的碳酸亚乙酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二甲酯(DMC)的混合物中的LiPF6(1M)的溶液。电池在具有湿度和氧含量<1ppm的高纯度氩气气氛中组装。在电解液填充之后,将软包电池真空密封并且接着使用具有标准形状的冲压模具进行机械按压。
接着将组装好的软包电池以3.0V与4.3V之间的1C的恒定电流速率进行重复充电和放电循环,以模拟现实的使用模式。实际电池容量为约4.2Ah。在1,000次循环之后,额定容量下降到其初始额定容量的80%以下。
电池的回收
用过的锂离子电池(0.5kg)通过浸泡在4%NaCl溶液中12小时而完全放电。在放电之后,通过电池切割机(中国郑州凯迪机械(KaidiMachinery,Zhengzhou,China))将锂离子电池切碎成碎片。将具有约1英寸至约1.5英寸平均长度的切碎的锂离子电池的碎片在室温下浸没到去离子水(10L)中以形成异质混合物。将混合物在室温下在超声波浴(G-100ST,来自深圳Geneng Cleaning Equipment Co.Limited.)中超声波搅拌0.5小时。阴极材料与铝箔得以分离,同时阳极材料从铜箔脱落。在搅拌之后,通过具有2mm筛格宽度的筛网将结构部件、铜箔和铝箔去除,以得到包含由水和电极材料组成的悬浮液。在去除结构部件、铜箔和铝箔之后,将该悬浮液过滤,以获得电极材料。将回收的电极材料置于80℃的烘箱中,在大气压下干燥5小时,最终产率为93%。阴极和阳极的回收条件和配方在表1中示出。回收结果在表3中示出。
实施例5
全锂离子软包电池的组装
正极的制备
对于正极的制备,将94wt.%的阴极材料LiCoO2(LCO)(从中国厦门钨业有限公司(Xiamen Tungsten Co.Ltd.,China)获得)、3wt.%的作为导电剂的碳黑(SuperP;从瑞士博迪奧特密高有限公司获得)和3wt.%的作为粘结剂的聚丙烯酸(PAA,#181285,从美国西格玛-奥德里奇公司获得)分散于去离子水中以形成具有50wt.%固体含量的浆液。接着使用刮刀涂布机将浆液均匀地涂覆到作为集流器的铝箔上并在50℃下干燥12小时以获得阴极铝片。
负极的制备
对于负极的制备,将90wt.%的硬碳(HC;纯度99.5%,从中国广东深圳瑞福特科技有限公司获得)与作为粘结剂的1.5wt.%的CMC(BSH-12,日本DKS株式会社)和3.5wt.%的SBR(AL-2001,日本A&L公司)和5wt.%的作为导电剂的碳黑分散于去离子水中以形成具有50wt.%固体含量的另一浆液。接着使用刮刀涂布机将浆液均匀地涂覆到作为集流器的铜箔上并在50℃下干燥12小时以获得阳极铜片。
软包电池的组装
在干燥之后,将所得的阴极片和阳极片切成方形片,分别来制备尺寸为8cm×12cm的阴极片和阳极片。将阴极片和阳极片以交替方式堆叠,阴、阳极片之间以25μm厚度的多孔聚乙烯隔膜(美国赛尔加德LLC公司)间隔,从而制备得到软包电池。电解液是在以体积比为1:1:1的碳酸亚乙酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二甲酯(DMC)的混合物中的LiPF6(1M)的溶液。电池在具有湿度和氧含量<1ppm的高纯度氩气气氛中组装。在电解液填充之后,将软包电池真空密封并且接着使用具有标准形状的冲压模具进行机械按压。
接着组装好的软包电池以3.0V与4.3V之间的1C的恒定电流速率进行重复充电和放电循环,以模拟现实的使用模式。实际电池容量为约5.2Ah。在650次循环之后,额定容量下降到其初始额定容量的80%以下。
电池的回收
用过的锂离子电池(0.5kg)通过浸泡在6%NaCl溶液中12小时而完全放电。在放电之后,通过水射流切割机(YCWJ-3038-L2015-1D,来自中国江苏YC工业有限公司)将锂离子电池切碎成碎片。将具有约0.5英寸至约1.0英寸平均长度的切碎的锂离子电池的碎片在20℃下浸没到去离子水(5L)中以形成异质混合物。将该混合物在20℃下用分散桨混合器(10L,来自Chienemei Industry Co.Ltd.,中国)机械搅拌2小时。阴极材料与铝箔得以分离,同时阳极材料从铜箔脱落。在搅拌之后,通过具有4mm筛格宽度的筛网将结构部件、铜箔和铝箔去除,从而得到包含由水和电极材料组成的悬浮液。在去除结构部件、铜箔和铝箔之后,将该悬浮液过滤,以获得电极材料。将回收的电极材料置于70℃的烘箱中,在大气压下干燥5小时,最终产率为90%。阴极和阳极的回收条件和配方在表1中示出。回收结果在表3中示出。
实施例6
全锂离子软包电池的组装
软包锂离子电池根据实施例5来制备。将组装好的的软包电池以3.0V与4.2V之间的1C的恒定电流速率进行重复充电和放电循环,以模拟现实的使用模式。实际电池容量为约5Ah。在700次循环之后,额定容量下降到其初始额定容量的80%以下。
电池的回收
用过的锂离子电池(0.5kg)通过浸泡在6%NaCl溶液中12小时而完全放电。在放电之后,通过水射流切割机(YCWJ-3038-L2015-1D,来自中国江苏YC工业有限公司)将锂离子电池切碎成碎片。将具有约0.5英寸至约1.0英寸平均长度的切碎的锂离子电池的碎片在20℃下浸没到pH值为约6.8的0.05M磷酸盐缓冲溶液(5L)中以形成异质混合物。磷酸盐缓冲溶液通过将39g磷酸二氢钠二水合物(NaH2PO4·2H2O,从美国西格玛-奥德里奇公司获得)溶解于去离子水(5L)中来制备。将所得混合物在20℃下用分散桨混合器(10L,来自ChienemeiIndustry Co.Ltd.,中国)机械搅拌2小时。将阴极材料与铝箔分离,同时阳极材料从铜箔掉落。在搅拌之后,通过具有4mm筛格宽度的筛网将结构部件、铜箔和铝箔去除,以得到包含由缓冲溶液和电极材料组成的悬浮液。在去除结构部件、铜箔和铝箔之后,将悬浮液过滤,以获得电极材料。将回收的电极材料置于80℃的烘箱中,在大气压下干燥5小时,最终产率为95%。阴极和阳极的回收条件和配方在表1中示出。回收结果在表3中示出。
实施例7
全锂离子软包电池的组装
正极的制备
对于正极的制备,将91wt.%的阴极材料LiFePO4(LFP)(从中国厦门钨业有限公司获得)、5wt.%的作为导电剂的碳黑(SuperP;从瑞士博迪奧特密高有限公司获得)和4wt.%的作为粘结剂的藻酸钠(SA,#180947,从美国西格玛-奥德里奇公司获得)分散于去离子水中以形成具有50wt.%固体含量的浆液。接着使用刮刀涂布机将浆液均匀地涂覆到作为集流器的铝箔上并在50℃下干燥12小时以获得阴极铝片。
负极的制备
对于负极的制备,将90wt.%的硬碳(HC;纯度99.5%,从中国广东深圳瑞福特科技有限公司获得)与作为粘结剂的1.5wt.%CMC(BSH-12,日本DKS株式会社)和3.5wt.%的SBR(AL-2001,日本A&L公司)和5wt.%的作为导电剂的碳黑分散于去离子水中以形成具有50wt.%固体含量的另一浆液。接着使用刮刀涂布机将浆液均匀地涂覆到作为集流器的铜箔上并在50℃下干燥12小时以获得阳极铜片。
软包电池的组装
在干燥之后,将所得的阴极片和阳极片通过切成方形片,分别来制备尺寸为8cm×12cm的阴极片和阳极片。将阴极片和阳极片以交替方式堆叠,阴、阳极片之间以25μm厚度的多孔聚乙烯隔膜(美国赛尔加德LLC公司)间隔,从而制备得到软包电池。电解液是在以体积比为1:1:1的碳酸亚乙酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二甲酯(DMC)的混合物中的LiPF6(1M)的溶液。电池在具有湿度和氧含量<1ppm的高纯度氩气气氛中组装。在电解液填充之后,将软包电池真空密封并且接着使用具有标准形状的冲压模具进行机械按压。
接着组装好的软包电池以2.5V与3.6V之间的1C的恒定电流速率进行重复充电和放电循环,以模拟现实的使用模式。实际电池容量为约4Ah。在500次循环之后,额定容量下降到其初始额定容量的80%以下。
电池的回收
用过的锂离子电池(0.5kg)通过浸泡在6%NaCl溶液中12小时而完全放电。在放电之后,通过水射流切割机(YCWJ-3038-L2015-1D,来自中国江苏YC工业有限公司)将锂离子电池切碎成碎片。将具有约0.5英寸至约1.0英寸平均长度的切碎的锂离子电池的碎片在20℃下浸没到去离子水(6.5L)与乙醇(1.5L)的混合物中以形成异质混合物。将混合物在20℃下用分散桨混合器(10L,来自Chienemei Industry Co.Ltd.,中国)机械搅拌1小时。阴极材料与铝箔得以分离,同时阳极材料从铜箔脱落。在搅拌之后,通过具有4mm筛格宽度的筛网将结构部件、铜箔和铝箔去除,以得到包含由水和乙醇和电极材料组成的悬浮液。在去除结构部件、铜箔和铝箔之后,将悬浮液过滤,以获得电极材料。将回收的电极材料置于80℃的烘箱中,在大气压下干燥5小时,最终产率为91%。阴极和阳极的回收条件和配方在表1中示出。回收结果在表3中示出。
实施例8
全锂离子软包电池的组装
正极的制备
对于正极的制备,将94wt.%的阴极材料LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2(NMC333)(从中国深圳天骄科技有限公司(Shenzhen Tianjiao Technology Co.Ltd.,China)获得)、3wt.%的作为导电剂的碳黑(SuperP;从瑞士博迪奧特密高有限公司获得)和作为粘结剂的1.5wt.%的聚丙烯酸(PAA,#181285,从美国西格玛-奥德里奇公司中获得)和1.5wt.%的聚丙烯腈(LA 132,中国成都茵地乐电源科技有限公司)分散于去离子水中以形成具有50wt.%固体含量的浆液。接着使用刮刀涂布机将浆液均匀地涂覆到作为集流器的铝箔上并在50℃下干燥12小时以获得阴极铝片。
负极的制备
对于负极的制备,将90wt.%的硬碳(HC;纯度99.5%,从中国瑞福特科技有限公司获得)与作为粘结剂的1.5wt.%的CMC(BSH-12,日本DKS株式会社)和3.5wt.%的SBR(AL-2001,日本A&L公司)和5wt.%的作为导电剂的碳黑分散于去离子水中以形成具有50wt.%固体含量的另一浆液。接着使用刮刀涂布机将浆液均匀地涂抹到作为集流器的铜箔上并在50℃下干燥12小时以获得阳极铜片。
软包电池的组装
在干燥之后,所得的阴极片和阳极片通过切成方形片,分别来制备尺寸为8cm×12cm的阴极片和阳极片。将阴极片和阳极片以交替方式堆叠,阴、阳极片之间以25μm厚度的多孔聚乙烯隔膜(美国赛尔加德LLC公司)间隔,从而制备得到软包电池。电解液是在以体积比为1:1:1的碳酸亚乙酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二甲酯(DMC)的混合物中的LiPF6(1M)的溶液。电池在具有湿度和氧含量<1ppm的高纯度氩气气氛中组装。在电解液填充之后,将软包电池真空密封并且接着使用具有标准形状的冲压模具进行机械按压。
接着组装的软包电池以3.0V与4.2V之间的1C的恒定电流速率进行重复充电和放电循环,以模拟现实的使用模式。实际电池容量为约5.1Ah。在900次循环之后,额定容量下降到其初始额定容量的80%以下。
电池的回收
用过的锂离子电池(0.5kg)通过浸泡在6%NaCl溶液中12小时而完全放电。在放电之后,通过水射流切割机(YCWJ-3038-L2015-1D,来自中国江苏YC工业有限公司)将锂离子电池切碎成碎片。将具有约0.5英寸至约1.0英寸平均长度的切碎的锂离子电池的碎片在20℃下浸没到去离子水(5L)与丙酮(1L)的混合物中以形成异质混合物。将该混合物在20℃下用分散桨混合器(10L,来自Chienemei Industry Co.Ltd.,中国)机械搅拌1小时。阴极材料与铝箔得以分离,同时阳极材料从铜箔脱落。在搅拌之后,通过具有4mm筛格宽度的筛网将结构部件、铜箔和铝箔去除,从而得到包含由水和丙酮和电极材料构成的悬浮液。在去除结构部件、铜箔和铝箔之后,将悬浮液过滤,以获得电极材料。将回收的电极材料置于75℃的烘箱中,在大气压下干燥5小时,最终产率为92%。阴极和阳极的回收条件和配方在表1中示出。回收结果在表3中示出。
实施例9
软包电池的制备方法与实施例1相同,除了使用阴极材料LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2(NMC622)(来自Hunan Rui Xiang New Material Co.,Ltd.,Changsha,中国)代替NMC333。将组装好的软包电池以3.0V与4.2V之间的1C的恒定电流速率进行重复充电和放电循环,以模拟现实的使用模式。实际电池容量为约5.5Ah。在1,879次循环之后,额定容量下降到其初始额定容量的80%以下。
用过的锂离子电池的回收方法与实施例1相同。阴极和阳极的回收条件和配方在表1中示出。回收结果在表3中示出。
实施例10
软包电池的制备方法与实施例1相同,除了使用阴极材料LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2(NMC811)(来自Henan Kelong NewEnergy Co.,Ltd.,Xinxiang,中国)代替NMC333。将组装好的软包电池以3.0V与4.2V之间的1C的恒定电流速率进行重复充电和放电循环,以模拟现实的使用模式。实际电池容量为约4.7Ah。在1,270次循环之后,额定容量下降到其初始额定容量的80%以下。
用过的锂离子电池的回收方法与实施例1相同。阴极和阳极的回收条件和配方在表1中示出。回收结果在表3中示出。
实施例11
软包电池的制备方法与实施例1相同,除了使用阴极材料LiNi0.8Co0.15Al0.05O2(NCA)(来自Hunan Rui Xiang New Material Co.,Ltd.,Changsha,中国)代替NMC333。将组装好的软包电池以3.0V与4.2V之间的1C的恒定电流速率进行重复充电和放电循环,以模拟现实的使用模式。实际电池容量为约4.2Ah。在996次循环之后,额定容量下降到其初始额定容量的80%以下。
用过的锂离子电池的回收方法与实施例1相同。阴极和阳极的回收条件和配方在表1中示出。回收结果在表3中示出。
实施例12
软包电池的制备方法与实施例1相同。用过的锂离子电池的回收方法与实施例1相同,除了混合桨的转速是4,000rpm而不是15,000rpm。阴极和阳极的回收条件和配方在表1中示出。回收结果在表3中示出。
实施例13
软包电池的制备方法与实施例1相同。用过的锂离子电池的回收方法与实施例12相同,除了搅拌时间是0.16小时而不是1小时。阴极和阳极的回收条件和配方在表1中示出。回收结果在表3中示出。
实施例14
软包电池的制备方法与实施例1相同,除了使用阴极材料LCO代替NMC333。将组装好的软包电池以3.0V与4.2V之间的1C的恒定电流速率进行重复充电和放电循环,以模拟现实的使用模式。实际电池容量为约3Ah。在1,300次循环之后,额定容量下降到其初始额定容量的80%以下。
用过的锂离子电池的回收方法与实施例3相同,除了使用高剪切混合器代替分散桨混合器,且搅拌时间是0.5小时而不是2小时。螺杆和旋转部件的转速分别是2,000rpm和250rpm。阴极和阳极的回收条件和配方在表1中示出。回收结果在表3中示出。
实施例15
软包电池的制备方法与实施例1相同,除了使用阴极材料LFP代替NMC333。将组装好的软包电池以3.0V与4.2V之间的1C的恒定电流速率进行重复充电和放电循环,以模拟现实的使用模式。实际电池容量为约15Ah。在2,100次循环之后,额定容量下降到其初始额定容量的80%以下。
用过的锂离子电池的回收方法与实施例14相同。阴极和阳极的回收条件和配方在表1中示出。回收结果在表3中示出。
实施例16
软包电池的制备方法与实施例1相同。用过的锂离子电池的回收方法与实施例14相同。阴极和阳极的回收条件和配方在表1中示出。回收结果在表3中示出。
实施例17-20
软包电池的制备方法与实施例1相同,除了分别在实施例17、18、19和20使用NMC532、NMC622、NMC811和NCA来代替NMC333。用过的锂离子电池的回收方法与实施例14相同。阴极和阳极的回收条件和配方在表1中示出。回收结果在表3中示出。
实施例21
软包电池的制备方法与实施例14相同。用过的锂离子电池的回收方法与实施例5相同,除了使用锥形螺杆混合器(来自Shuanglong Group Co.,Ltd.)代替分散桨混合器。臂的转速是150rpm且螺杆的转速是300rpm。阴极和阳极的回收条件和配方在表1中示出。回收结果在表3中示出。
实施例22
软包电池的制备方法与实施例15相同。用过的锂离子电池的回收方法与实施例21相同。阴极和阳极的回收条件和配方在表1中示出。回收结果在表3中示出。
实施例23
软包电池的制备方法与实施例14相同。用过的锂离子电池的回收方法与实施例5相同,除了使用行星式搅拌混合器代替分散桨混合器。行星式桨和高速分散桨的转速分别是150rpm和1,000rpm。阴极和阳极的回收条件和配方在表1中示出。回收结果在表3中示出。
实施例24
软包电池的制备方法与实施例15相同。用过的锂离子电池的回收方法与实施例23相同。阴极和阳极的回收条件和配方在表1中示出。回收结果在表3中示出。
实施例25
软包电池的制备方法与实施例14相同。用过的锂离子电池的回收方法与实施例5相同,除了使用空气射流混合器(来自ALPA Powder Technology&Equipment Co.,Ltd.)代替分散桨混合器。空气射流的压力是0.3MPa。阴极和阳极的回收条件和配方在表1中示出。回收结果在表3中示出。
实施例26
软包电池的制备方法与实施例15相同。用过的锂离子电池的回收方法与实施例25相同。阴极和阳极的回收条件和配方在表1中示出。回收结果在表3中示出。
实施例27
软包电池的制备方法与实施例14相同。用过的锂离子电池的回收方法与实施例1相同,除了额外加入30g具有尺寸为0.5mm的塑料珠到异质混合物中;分散桨混合器的转速为4,000rpm而不是15,000rpm;且搅拌时间为0.5小时而不是1小时。阴极和阳极的回收条件和配方在表1中示出。回收结果在表3中示出。
实施例28
软包电池的制备方法与实施例1相同。用过的锂离子电池的回收方法与实施例27相同。阴极和阳极的回收条件和配方在表1中示出。回收结果在表3中示出。
实施例29
软包电池的制备方法与实施例10相同。用过的锂离子电池的回收方法与实施例27相同。阴极和阳极的回收条件和配方在表1中示出。回收结果在表3中示出。
比较例1
软包电池的制备方法与实施例15相同。用过的锂离子电池的回收方法与实施例1相同,除了将切碎的电池浸泡1小时而不搅拌。阴极和阳极的回收条件和配方在表1中示出。回收结果在表3中示出。
比较例2
软包电池的制备方法与实施例4相同。用过的锂离子电池的回收方法与实施例4相同,除了使用20kg用过的电池而不是0.5kg,且水的体积改成25L。阴极和阳极的回收条件和配方在表1中示出。回收结果在表3中示出。
比较例3
软包电池的制备方法与实施例1相同。用过的锂离子电池的回收方法与实施例4相同,除了水量是5L而不是10L,且异质混合物搅拌持续2小时而不是0.5小时。阴极和阳极的回收条件和配方在表1中示出。回收结果在表3中示出。
比较例4
软包电池的制备方法与实施例10相同。用过的锂离子电池的回收方法与比较例3相同,阴极和阳极的回收条件和配方在表1中示出。回收结果在表3中示出。
比较例5
软包电池的制备方法与实施例5相同。用过的锂离子电池的回收方法与实施例5相同,除了使用20kg用过的电池而不是0.5kg;水的体积改成25L;且使用搅拌混合器和超声波浴而不是分散桨混合器搅拌异质混合物。搅拌混合器的搅拌速度是500rpm以及超声波浴的输入功率是200W。异质混合物被持续搅拌且进行超声处理20分钟。阴极和阳极的回收条件和配方在表1中示出。回收结果在表3中示出。
比较例6
软包电池的制备方法与实施例5相同,除了使用阴极材料NMC811代替LCO。用过的锂离子电池的回收方法与比较例5相同,除了水量改成5L而不是25L和使用0.5kg用过的锂离子电池而不是20kg。阴极和阳极的回收条件和配方在表1中示出。回收结果在表3中示出。
比较例7
软包电池的制备方法与实施例15相同。用过的锂离子电池的回收方法与比较例6相同,除了搅拌时间是1小时而不是20分钟。阴极和阳极的回收条件和配方在表1中示出。回收结果在表3中示出。
比较例8
软包电池的制备方法与实施例14相同。使用冲击式破碎机(PLS-550,来自LuoyangDahua Heavy Type Machinery Co.,Ltd.,中国),以转速为2,500rpm进行0.011小时回收用过的锂离子电池(0.1kg)。使用的水的体积是1L。搅拌后,通过具有4mm筛格宽度的筛网将结构部件、铜箔和铝箔去除,从而得到包含由水和电极材料组成的悬浮液。在去除结构部件、铜箔和铝箔之后,将该悬浮液过滤,以获得电极材料。将回收的电极材料置于80℃的烘箱中,在大气压下干燥5小时。阴极和阳极的回收条件和配方在表1中示出。回收结果在表3中示出。
比较例9-11
比较例9、10和11的软包电池的制备方法分别与实施例15、1和10相同。比较例9、10和11中用过的锂离子电池的回收方法与比较例8相同。阴极和阳极的回收条件和配方在表1中示出。回收结果在表3中示出。
比较例12
软包电池的制备方法与实施例14相同。用过的锂离子电池的回收方法与实施例5相同,除了使用螺杆混合器(来自Shuanglong GroupCo.,Ltd)代替分散桨混合器。螺杆的转速是500rpm。阴极和阳极的回收条件和配方在表1中示出。回收结果在表3中示出。
比较例13、14和15
比较例13、14和15的软包电池的制备方法分别与实施例15、1和10相同。比较例13、14和15中用过的锂离子电池的回收方法与比较例12相同。阴极和阳极的回收条件和配方在表1中示出。回收结果在表3中示出。
比较例16和17
比较例16和17的软包电池的制备方法分别与实施例1和10相同。比较例16和17中用过的锂离子电池的回收方法与实施例21相同。阴极和阳极的回收条件和配方在表1中示出。回收结果在表3中示出。
比较例18和19
比较例18和19的软包电池的制备方法分别与实施例1和10相同。比较例18和19中用过的锂离子电池的回收方法与实施例23相同。阴极和阳极的回收条件和配方在表1中示出。回收结果在表3中示出。
比较例20和21
比较例20和21的软包电池的制备方法分别与实施例1和10相同。比较例20和21中用过的锂离子电池的回收方法与实施例25相同。阴极和阳极的回收条件和配方在表1中示出。回收结果在表3中示出。
参考例1
参考例1的软包电池的制备方法与实施例1相同。使用过的锂离子电池被拆卸且分离1kg的阴极电极。在20℃下将分离出的阴极电极浸没到5L的去离子水中,形成的混合物被高剪切混合器搅拌0.5小时。旋转部件的转速为250rpm,且螺杆的转速为2,000rpm。阴极材料从铝箔剥离。搅拌之后,通过具有4mm筛格宽度的筛网将铝箔去除,从而得到包含由水和电极材料组成的悬浮液。去除铝箔后,过滤悬浮液得到电极材料。将回收的电极材料置于80℃的烘箱中,在大气压下干燥5小时。阴极的回收条件和配方在表2中示出。回收结果在表3中示出。
参考例2
参考例2的软包电池的制备方法与实施例10相同。使用过的锂离子电池被拆卸且分离1kg的阴极电极。分离的阴极电极的回收方法与参考例1相同。阴极的回收条件和配方在表2中示出。回收结果在表3中示出。
参考例3
参考例3的软包电池的制备方法与实施例1相同。使用过的锂离子电池被拆卸且分离1kg的阴极电极。分离的阴极电极的回收方法与参考例1相同,除了使用分散桨混合器代替高剪切混合器。混合桨的转速为15,000rpm。阴极的回收条件和配方在表2中示出。回收结果在表3中示出。
参考例4
参考例4的软包电池的制备方法与实施例1相同。使用过的锂离子电池被拆卸且分离1kg的阳极电极。分离的阳极电极的回收方法与参考例1相同。阳极的回收条件和配方在表2中示出。回收结果在表3中示出。
参考例5
参考例5的软包电池的制备方法与实施例1相同。使用过的锂离子电池被拆卸且分离1kg的阳极电极。分离的阳极电极的回收方法与参考例3相同。阳极的回收条件和配方在表2中示出。回收结果在表3中示出。
表1
注释:1分散桨混合器的转速为4,000rpm
2分散桨混合器的转速为4,000rpm且加入塑料珠(30g)到异质混合物
3切碎的电池浸没到水中1小时而不搅拌
表2
回收的电极材料的产率在下表3中示出。本文公开的方法可以提高不同类型的阴极材料的回收效率。高镍阴极材料也可以被回收。
表3
虽然已经对本发明有限数目的实施方式进行了描述,但一个实施方式中描述的具体特征不应限制本发明的其它实施方式。在一些实施方式中,所述方法可包括本文未提及的多个步骤。在其它实施方式中,所述方法不包括或基本上不含有本文未列举的任何步骤。所描述的实施方式存在变化和修改。所附权利要求书意图涵盖在本发明的范围内的所有那些修改和变化。
Claims (20)
1.一种回收锂离子电池的方法,其包含以下步骤:
a)将所述锂离子电池放电;
b)将所述锂离子电池切碎成碎片以提供结构部件、涂有阴极层的第一导电金属部件和涂有阳极层的第二导电金属部件的混合物;
c)将所述切碎的锂离子电池的碎片浸没到极性溶剂中以形成异质混合物;
d)使用机械搅拌处理所述异质混合物,持续约30分钟至约5小时的时段,以溶解在所述阴极层和所述阳极层中的粘结剂材料;
e)筛选所述经过处理的异质混合物以将所述结构部件、所述第一导电金属部件和所述第二导电金属部件与包含阴极和阳极材料的更细的电极材料分离,以提供包含由所述极性溶剂和所述更细的电极材料组成的悬浮液;以及
f)将所述悬浮液中的所述更细的电极材料与所述极性溶剂分离;
其中所述极性溶剂是水、醇、酮或其组合;
其中所述阴极材料是选自由LiCoO2、LiNiO2、LiNixMnyO2、LiNixCoyO2、Li1+zNixMnyCo1-x- yO2、LiNixCoyAlzO2、LiV2O5、LiTiS2、LiMoS2、LiMnO2、LiCrO2、LiMn2O4、LiFeO2、LiFePO4及其组合构成的群组的锂过渡金属氧化物;其中每个x独立地为0.3至0.8;每个y独立地为0.1至0.45;并且每个z独立地为0至0.2;以及
其中所述阴极层和所述阳极层中的每一者的粘结剂材料独立地是水基粘结剂材料或水基粘结剂材料和有机粘结剂材料的混合物。
2.根据权利要求1所述的方法,其中所述阴极材料是选自由LiNiO2、LiNixMnyO2、LiNixCoyO2、Li1+zNixMnyCo1-x-yO2、LiNixCoyAlzO2及其组合的富镍阴极材料;其中每个x独立地为0.5至0.8;每个y独立地为0.1至0.4;并且每个z独立地为0至0.2。
3.根据权利要求2所述的方法,其中所述富镍阴极材料是LiNi0.8Mn0.2O2、LiNi0.6Mn0.4O2、LiNi0.8Co0.2O2、LiNi0.6Co0.4O2、NMC532、NMC622、NMC811、NCA或其组合。
4.根据权利要求1所述的方法,其中所述切碎的锂离子电池的碎片具有约0.5英寸至约4.0英寸或约四分之一英寸或更小的平均长度。
5.根据权利要求1所述的方法,其中所述第一导电金属部件和所述第二导电金属部件中的每一者独立地选自由铝薄板、铜薄板、金薄板、银薄板和铂薄板所构成的群组。
6.根据权利要求1所述的方法,其中所述极性溶剂进一步包含选自由碳酸锂、碳酸氢锂、磷酸锂、碳酸钠、碳酸氢钠、磷酸钠、碳酸钾、碳酸氢钾、磷酸钾、碳酸铵、碳酸氢铵、磷酸铵及其组合构成的群组的盐。
7.根据权利要求6所述的方法,其中所述极性溶剂具有约6至约8的pH值。
8.根据权利要求1所述的方法,其中所述醇选自甲醇、乙醇、异丙醇、正丙醇、叔丁醇或其组合。
9.根据权利要求1所述的方法,其中所述水与所述醇的重量比为约5:95至约95:5。
10.根据权利要求1所述的方法,其中所述机械搅拌步骤通过搅拌器、超声发生器或其组合进行。
11.根据权利要求10所述的方法,其中所述搅拌器是高剪切混合器、行星式搅拌混合器或搅拌混合器,且其中所述超声发生器是超声波浴或超声波探头。
12.根据权利要求1所述的方法,其中步骤d)的所述机械搅拌在室温下进行。
13.根据权利要求1所述的方法,其中步骤d)中的所述异质混合物在约35℃至约100℃或约55℃至约75℃的温度下加热。
14.根据权利要求1所述的方法,其中所述水基粘结剂材料选自由丁苯橡胶、丙烯酸化丁苯橡胶、丙烯腈-丁二烯橡胶、丁腈橡胶、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物、聚丁二烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯吡啶、聚乙烯醇、聚乙酸乙烯酯、聚丙烯腈、纤维素、羧甲基纤维素、羟丙基纤维素、乙酸纤维素、乙酸丁酸纤维素、乙酸丙酸纤维素、氰乙基纤维素、聚丙烯酸、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸、聚甲基丙烯酸酯、聚丙烯酰胺、藻酸盐及其组合所构成的群组。
15.根据权利要求1所述的方法,其中所述有机粘结剂材料选自由聚四氟乙烯、全氟烷氧基聚合物、聚偏二氟乙烯、四氟乙烯与六氟丙烯的共聚物、氟化乙烯-丙烯共聚物、四氟乙烯/六氟丙烯/偏二氟乙烯三元共聚物及其组合所构成的群组。
16.根据权利要求1所述的方法,其中所述更细的电极材料进一步包含导电剂。
17.根据权利要求1所述的方法,其中所述更细的电极材料通过具有2mm-4mm或0.5mm-1.0mm的筛格宽度的筛网来筛选。
18.根据权利要求1所述的方法,其中所述更细的电极材料的分离经由过滤、倾析、沉降、离心或其组合进行。
19.根据权利要求1所述的方法,其中所述更细的电极材料的回收率至少是90%或至少是95%。
20.根据权利要求1所述的方法,其中所述回收的更细的电极材料的杂质百分率小于2%、小于1%、小于0.5%、小于0.1%或小于0.05%。
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