CN109659642A - 分离废旧锂离子电池正极片中铝箔和正极活性物质的方法 - Google Patents

分离废旧锂离子电池正极片中铝箔和正极活性物质的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种分离废旧锂离子电池正极片中铝箔和正极活性物质的方法，包括以下步骤：1)收集从废旧锂离子电池中拆解出来的正极片；2)配制浓度为0‑0.01g/L或大于0.01g/L的电解质水溶液；3)以步骤1)所得正极片为阳极，以铝片、铜片或铂片为阴极，将阳极和阴极垂直插入电解质水溶液中，通电后于1‑4000A/m2条件下电解，直至正极片上的活性物质完全脱落；或者是以步骤1)所得正极片为阴极，以铝片、铜片或铂片为阳极，其它操作不变；4)电解完成后，收集正极片，即得到回收的铝箔；对电解后的溶液进行过滤，滤渣为脱除了锂的正极活性物质，滤液为含锂溶液。本发明所述方法成本低、分离周期短且分离程度高。

Description

分离废旧锂离子电池正极片中铝箔和正极活性物质的方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池的回收处理，具体涉及一种分离废旧锂离子电池正极片中铝箔和正极活性物质的方法。
背景技术
锂离子电池具有能量密度高，工作电压高，使用寿命长，无记忆效应等特点，其性能优于其他各类二次电池，广泛应用于手机、笔记本等电子设备、以及电动汽车、混合动力汽车等领域。随着国民经济的发展，二次电池的消费逐渐增多，所产生的废旧锂离子电池数量也大幅增长。废旧锂离子电池中含有大量有价金属如钴、镍、锰、锂、铝、铜等，对其回收利用具有显著的经济效益。另一方面，废旧锂离子电池中的有害物质如电解液等极易渗漏，造成环境污染，因此，对废旧锂离子电池的回收利用更能体现环境友好的理念。目前我国锂离子电池的回收没有形成规模产业，回收利用的无序状态导致环境破坏和资源浪费。
通常锂离子电池中的正极活性物质与导电炭黑通过粘结剂紧密粘合并粘附在铝箔上，而废旧锂离子电池中的有价金属主要存在于正极活性物质中，要回收利用废旧锂离子电池中的有价金属，可将铝箔与正极活性物质分离，然后对正极活性物质进行溶解，使有价金属转移至溶液中后，再进行分离提纯。因此，正极活性物质和铝箔的分离是回收过程的一个重要步骤。现有的正极活性物质与铝箔的分离方法有：
(1)机械法：直接将正极片粉碎，利用组分间物理特性如粒径、密度等的差异实现各组分的分离。但是由于锂离子电池有着复杂的结构和化学组成，机械法很难将其中各组分完全分离下来。
(2)溶剂溶解法：采用对粘结剂有良好溶解性的溶剂将其溶解，以实现活性物质与铝箔的分离，该法的优点是操作简单，分离效率高，集流体可以以金属形式回收。该方法的不足为，有机溶剂有毒且价格昂贵。
(3)热处理法：该方法主要利用粘结剂、铝箔、碳材料等物质的分解或融化温度不同，从而实现活性物质与铝箔的分离，该法操作简单，适合大规模应用。但其最大的缺陷在于能耗高，粘结剂分解易产生HF气体。
(4)碱溶法：利用铝箔易溶于碱，而活性物质不溶于碱的差异，实现二者分离。但是，此种方法碱液消耗量较大，碱溶过程会产生易燃的氢气，存在安全隐患；此外，碱溶法分离效率低，还降低了金属铝产品的回收价值。
因此，有必要寻求一种成本低且铝箔和正极活性物质分离程度高的方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种成本低、分离周期短且分离程度高的分离废旧锂离子电池正极片中铝箔和正极活性物质的方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的分离废旧锂离子电池正极片中铝箔和正极活性物质的方法，包括以下步骤：
1)收集从废旧锂离子电池中拆解出来的正极片，备用；
2)配制浓度为0-0.01g/L或大于0.01g/L的电解质水溶液；
3)以步骤1)所得正极片为阳极，以铝片、铜片或铂片为阴极，将阳极和阴极垂直插入步骤2)配制的电解质水溶液中，然后将阳极和阴极通电，在电流密度为1-4000A/m2的条件下进行电解，直至从废旧锂离子电池中拆解所得正极片上的活性物质完全脱落；或者是
以步骤1)所得正极片为阴极，以铝片、铜片或铂片为阳极，将阳极和阴极垂直插入步骤2)配制的电解质水溶液中，然后将阳极和阴极通电，在电流密度为1-4000A/m2的条件下进行电解，直至从废旧锂离子电池中拆解所得正极片上的活性物质完全脱落；
4)电解完成后，收集活性物质已完全脱落的阳极片或活性物质已完全脱落的阴极片，即得到回收的铝箔；对电解后的溶液进行过滤，滤渣为脱除了锂的正极活性物质，滤液为含锂溶液。
本发明所述方法中，对废旧锂离子电池中的正极活性物质不作限制，具体可以是正极活性物质为磷酸铁锂、钴酸锂或锰酸锂的废旧锂离子电池，或者是正极活性物质为镍、钴和锰三元正极材料的废旧锂离子电池，或者是正极活性物质为镍、钴和铝三元正极材料的废旧锂离子电池等。
本发明所述方法的步骤1)中，先采用现有常规技术对废旧锂离子电池进行放电，然后拆解，之后收集正极片。
本发明所述方法的步骤2)中，所述的电解质为选自硫酸钠、硫酸铵、硫酸钾、过硫酸铵和碳酸铵中的一种或两种以上的组合。对于浓度大于0.01g/L的电解质水溶液也能实现本发明所述效果，但从成本考虑不推荐选用大浓度的电解质水溶液。优选是配制浓度为0-0.00625g/L的电解质水溶液，更优选是配制浓度为0-0.003g/L的电解质水溶液。
本发明所述方法的步骤3)中，将阳极和阴极垂直插入步骤2)配制的电解质水溶液中，是指将阳极和阴极垂直于电解质水溶液液面的方式插入到电解质水溶液中。所述阳极和阴极的间距优选是控制在2-10cm，优选为2-4cm。该步骤中，对从废旧锂离子电池中拆解所得正极片上的活性物质完全脱落的理解是正极片上活性物质的99％以上已经脱落。
本发明所述方法的步骤3)中，连通阳极和阴极的电源为直流电源，电压与现有技术相同，优选控制在5-40V。申请人的试验表明，在电压为5-40V、电流密度为1-4000A/m2的条件下电解直至正极片上的活性物质全部脱落所需要的时间通常需要大于或等于0.1h；本申请中，优选控制电解的时间为0.5-12h。根据需要也可以在正极片上的活性物质全部脱落后再继续电解一段时间(如0.1-5h)。在电解的过程中，锂直接进入溶液中，实现了正极活性物质中锂与其它金属的分离，从而减少了后续正极活性物质中有价金属的分离步骤。
与现有技术相比，本发明的特点在于：
1、本发明所述方法适用范围广，对粘结剂的种类以及而正极活性物质的选择均不作要求，因此，来自不同厂家的废旧锂离子电池均可采用本发明所述方法来分离铝箔和正极活性物质。
2、本发明所述方法不产生有毒气体，不会产生环境污染，也无需使用昂贵的溶剂。
3、本发明所述方法通过一步电解法实现了铝箔与正极活性物质的完全分离，铝箔以金属的形式回收；另外，由于锂进入溶液中，还实现了正极活性物质中锂与其它金属的分离，从而减少了后续正极活性物质中有价金属的分离步骤。
4、采用本发明所述方法分离废旧锂离子电池正极片中的铝箔和正极活性物质，具有操作简单、分离步骤少、生产周期短的特点；此外，电解质易于获得且用量少，能耗低，因此，分离成本极低。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的详述，以更好地理解本发明的内容，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
1)将废旧磷酸铁锂电池按现有常规技术进行放电后拆解，收集其中的正极片，备用；
2)配制浓度为0.00625g/L的电解质水溶液(电解质为硫酸钠)；
3)以步骤1)所得正极片为阳极，以铝片为阴极，将阳极和阴极垂直插入步骤2)配制的电解质水溶液中，控制阳极和阴极的间距为2cm，然后将阳极和阴极与直流稳压电源连接，在电压为28V、电流密度为100A/m2的条件下进行电解1h，铝箔和正极活性物质完全分离；
4)电解完成后，收集阳极片，即得到铝箔金属片，送入后续铝箔加工工序重新利用；对电解后的溶液进行过滤，滤渣为脱除了锂的正极活性物质(可按现有常规酸溶和分离工序以提取其中除锂以外的金属)，滤液为含锂溶液(可按现有常规工艺制备含锂化合物)。
测定步骤4)所得滤液中的锂浓度，经计算，废旧电池中锂的浸出率为10％。
测定步骤4)所得铝箔金属片中的铁、锂含量，其中铁含量为0.00003ppm,锂含量为0.00002ppm。
实施例2
1)将废旧镍钴锰酸锂电池按现有常规技术进行放电后拆解，收集其中的正极片，备用；
2)配制浓度为0.00375g/L的电解质水溶液(电解质为过硫酸铵)；
3)以步骤1)所得正极片为阳极，以铜片为阴极，将阳极和阴极垂直插入步骤2)配制的电解质水溶液中，控制阳极和阴极的间距为3cm，然后将阳极和阴极与直流稳压电源连接，在电压为32V、电流密度为500A/m2的条件下进行电解3h，铝箔和正极活性物质完全分离；
4)电解完成后，收集阳极片，即得到铝箔金属片，送入后续铝箔加工工序重新利用；对电解后的溶液进行过滤，滤渣为脱除了锂的正极活性物质(可按现有常规酸溶和分离工序以提取其中除锂以外的金属)，滤液为含锂溶液(可按现有常规工艺制备含锂化合物)。
测定步骤4)所得滤液中的锂浓度，经计算，废旧电池中锂的浸出率为60％。
测定步骤4)所得铝箔金属片中的镍、钴、锰、锂含量，其中镍含量为0.00003ppm，钴含量为0.0001ppm，锰含量为0.0001ppm，锂含量为0.00002ppm。
实施例3
1)将废旧磷酸铁锂电池按现有常规技术进行放电后拆解，收集其中的正极片，备用；
2)配制浓度为0.005g/L的电解质水溶液(电解质为硫酸铵)；
3)以步骤1)所得正极片为阳极，以铂片为阴极，将阳极和阴极垂直插入步骤2)配制的电解质水溶液中，控制阳极和阴极的间距为4cm，然后将阳极和阴极与直流稳压电源连接，在电压为20V、电流密度为5A/m2的条件下进行电解8h，铝箔和正极活性物质完全分离；
4)电解完成后，收集阳极片，即得到铝箔金属片，送入后续铝箔加工工序重新利用；对电解后的溶液进行过滤，滤渣为脱除了锂的正极活性物质(可按现有常规酸溶和分离工序以提取其中除锂以外的金属)，滤液为含锂溶液(可按现有常规工艺制备含锂化合物)。
测定步骤4)所得滤液中的锂浓度，经计算，废旧电池中锂的浸出率为85％。
测定步骤4)所得铝箔金属片中的铁、锂含量，其中铁含量为0.00003ppm,锂含量为0.0002ppm。
实施例4
1)将废旧镍钴锰铝锂电池按现有常规技术进行放电后拆解，收集其中的正极片，备用；
2)取800mL水作为电解质水溶液；
3)以步骤1)所得正极片为阳极，以铜片为阴极，将阳极和阴极垂直插入步骤2)配制的电解质水溶液中，控制阳极和阴极的间距为3cm，然后将阳极和阴极与直流稳压电源连接，在电压为12V、电流密度为220A/m2的条件下进行电解10h，铝箔和正极活性物质完全分离；
4)电解完成后，收集阳极片，即得到铝箔金属片，送入后续铝箔加工工序重新利用；对电解后的溶液进行过滤，滤渣为脱除了锂的正极活性物质(可按现有常规酸溶和分离工序以提取其中除锂以外的金属)，滤液为含锂溶液(可按现有常规工艺制备含锂化合物)。
测定步骤4)所得滤液中的锂浓度，经计算，废旧电池中锂的浸出率为100％。
测定步骤4)所得铝箔金属片中的镍、钴、锰、铝、锂含量，其中镍含量为0.0001ppm，锂含量为0.00003ppm，钴含量为0.00004ppm，铝含量为0.00008ppm，锰含量为0.00004ppm。
实施例5
1)将废旧钴酸锂电池按现有常规技术进行放电后拆解，收集其中的正极片，备用；
2)配制浓度为0.002g/L的电解质水溶液(电解质为硫酸钾)；
3)以步骤1)所得正极片为阳极，以铜片为阴极，将阳极和阴极垂直插入步骤2)配制的电解质水溶液中，控制阳极和阴极的间距为8cm，然后将阳极和阴极与直流稳压电源连接，在电压为8V、电流密度为800A/m2的条件下进行电解1h，铝箔和正极活性物质完全分离；
4)电解完成后，收集阳极片，即得到铝箔金属片，送入后续铝箔加工工序重新利用；对电解后的溶液进行过滤，滤渣为脱除了锂的正极活性物质(可按现有常规酸溶和分离工序以提取其中除锂以外的金属)，滤液为含锂溶液(可按现有常规工艺制备含锂化合物)。
测定步骤4)所得滤液中的锂浓度，经计算，废旧电池中锂的浸出率为85％。
测定步骤4)所得铝箔金属片中的钴、锂含量，其中钴含量为0.000003ppm，锂含量为0.00004ppm。
实施例6
1)将废旧锰酸锂电池按现有常规技术进行放电后拆解，收集其中的正极片，备用；
2)配制总浓度为0.00013g/L的电解质水溶液(电解质由硫酸钠和硫酸铵按5：8的质量比组成)；
3)以步骤1)所得正极片为阳极，以铜片为阴极，将阳极和阴极垂直插入步骤2)配制的电解质水溶液中，控制阳极和阴极的间距为10cm，然后将阳极和阴极与直流稳压电源连接，在电压为30V、电流密度为750A/m2的条件下进行电解1h，铝箔和正极活性物质完全分离；
4)电解完成后，收集阳极片，即得到铝箔金属片，送入后续铝箔加工工序重新利用；对电解后的溶液进行过滤，滤渣为脱除了锂的正极活性物质(可按现有常规酸溶和分离工序以提取其中除锂以外的金属)，滤液为含锂溶液(可按现有常规工艺制备含锂化合物)。
测定步骤4)所得滤液中的锂浓度，经计算，废旧电池中锂的浸出率为95％。
测定步骤4)所得铝箔金属片中的锰、锂含量，其中锰含量为0.00001ppm，锂含量为0.00008ppm。
实施例7
重复实施例5，不同的是，步骤2)中配制的是浓度为0.01g/L的电解质水溶液(电解质为硫酸钾)。
测定本实施例所得滤液中的锂浓度，经计算，废旧电池中锂的浸出率为90％。
测定步骤4)所得铝箔金属片中的钴、锂含量，其中钴含量为0.00004ppm，锂含量为0.00001ppm。
实施例8
1)将废旧锰酸锂电池按现有常规技术进行放电后拆解，收集其中的正极片，备用；
2)配制总浓度为0.00013g/L的电解质水溶液(电解质由硫酸钠和硫酸铵按5：8的质量比组成)；
3)以步骤1)所得正极片为阴极，以铜片为阳极，将阳极和阴极垂直插入步骤2)配制的电解质水溶液中，控制阳极和阴极的间距为10cm，然后将阳极和阴极与直流稳压电源连接，在电压为30V、电流密度为3500A/m2的条件下进行电解2h，铝箔和正极活性物质完全分离；之后继续在同样条件下电解1h；
4)电解完成后，收集阴极片，即得到铝箔金属片，送入后续铝箔加工工序重新利用；对电解后的溶液进行过滤，滤渣为脱除了锂的正极活性物质(可按现有常规酸溶和分离工序以提取其中除锂以外的金属)，滤液为含锂溶液(可按现有常规工艺制备含锂化合物)。
测定步骤4)所得滤液中的锂浓度，经计算，废旧电池中锂的浸出率为88％。
测定步骤4)所得铝箔金属片中的钴、锂含量，其中锰含量为0.0001ppm，锂含量为0.00002ppm。
实施例9
1)将废旧镍钴锰铝锂电池按现有常规技术进行放电后拆解，收集其中的正极片，备用；
2)取800mL水作为电解质水溶液；
3)以步骤1)所得正极片为阴极，以铜片为阳极，将阳极和阴极垂直插入步骤2)配制的电解质水溶液中，控制阳极和阴极的间距为3cm，然后将阳极和阴极与直流稳压电源连接，在电压为12V、电流密度为2000A/m2的条件下进行电解12h，铝箔和正极活性物质完全分离；
4)电解完成后，收集阴极片，即得到铝箔金属片，送入后续铝箔加工工序重新利用；对电解后的溶液进行过滤，滤渣为脱除了锂的正极活性物质(可按现有常规酸溶和分离工序以提取其中除锂以外的金属)，滤液为含锂溶液(可按现有常规工艺制备含锂化合物)。
测定步骤4)所得滤液中的锂浓度，经计算，废旧电池中锂的浸出率为92％。
测定步骤4)所得铝箔金属片中的镍、钴、锰、铝、锂含量，其中镍含量为0.00003ppm，锂含量为0.0002ppm，钴含量为0.00007ppm，铝含量为0.00004ppm，锰含量为0.00001ppm。

Claims (8)

1.分离废旧锂离子电池正极片中铝箔和正极活性物质的方法，包括以下步骤：
1)收集从废旧锂离子电池中拆解出来的正极片，备用；
2)配制浓度为0-0.01g/L或大于0.01g/L的电解质水溶液；
3)以步骤1)所得正极片为阳极，以铝片、铜片或铂片为阴极，将阳极和阴极垂直插入步骤2)配制的电解质水溶液中，然后将阳极和阴极通电，在电流密度为1-4000A/m2的条件下进行电解，直至从废旧锂离子电池中拆解所得正极片上的活性物质完全脱落；或者是
以步骤1)所得正极片为阴极，以铝片、铜片或铂片为阳极，将阳极和阴极垂直插入步骤2)配制的电解质水溶液中，然后将阳极和阴极通电，在电流密度为1-4000A/m2的条件下进行电解，直至从废旧锂离子电池中拆解所得正极片上的活性物质完全脱落；
4)电解完成后，收集活性物质已完全脱落的阳极片或活性物质已完全脱落的阴极片，即得到回收的铝箔；对电解后的溶液进行过滤，滤渣为脱除了锂的正极活性物质，滤液为含锂溶液。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2)中，电解质为选自硫酸钠、硫酸铵、硫酸钾、过硫酸铵和碳酸铵中的一种或两种以上的组合。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2)中，电解质水溶液的浓度为0-0.00625g/L。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤3)中，电压为5-40V。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤3)中，阳极和阴极的间距为2-10cm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤3)中，阳极和阴极的间距为2-4cm。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤3)中，电解的时间≥0.1h。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤3)中，电解的时间为0.5-12h。
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