CN109775766B - 一种三元电池材料中镍钴元素的快速回收方法 - Google Patents

一种三元电池材料中镍钴元素的快速回收方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三元电池材料中镍钴元素的快速回收方法，属于镍钴元素回收技术领域，一种三元电池材料中镍钴元素的快速回收方法，包括物理预处理步骤、焙烧氧化步骤、酸浸步骤和过滤萃取提纯步骤，焙烧氧化步骤可通过通气口可连接抽风设备，酸浸步骤中提前加入氯化钠溶液，可以实现大幅简化了从三元电池中回收镍钴元素的回收方法，与现有技术相比，本方案可以实现多个步骤在一体设备中同时完成，工序可减少30‑40％，时间可缩短50‑60％，且操作简单，无需大量的专业技术人员进行操作，可大幅降低镍钴元素回收企业的运作门槛，在保证镍钴元素的回收率的情况下，可大幅提升回收的效率，利于三元电池回收产业的发展，利于环保和持续发展。

Description

一种三元电池材料中镍钴元素的快速回收方法
技术领域
本发明涉及镍钴元素回收技术领域，更具体地说，涉及一种三元电池材料中镍钴元素的快速回收方法。
背景技术
锂离子电池以其高能量密度、循环寿命长、环境友好等优势受到了市场和消费者的青睐。目前，廉价并且安全的三元材料LiNixCoyMnzO2是市场上应用广泛的一种商业正极材料，主要应用于笔记本电脑、相机等便携式电子设备和电动汽车，新能源汽车从2009年推广至今，其数量爆发式增长，2016年我国新能源汽车生产量超过50.7万辆，而动力电池的使用年限一般是3年，因此今明两年将有大量锂离子电池报废，预计到2020年，锂离子电池报废量达到32.2Gwh，共计约50万吨电池材料。
公开号为CN107666022A的中国发明专利公开了一种废弃三元正极材料中锂、镍钴锰的回收方法，其说明书记载了以废弃三元正极材料为原料，加入碳还原剂，经混合配料后在保护气氛下、500-700℃下进行焙烧还原，焙烧产物加入水中进行水溶反应，反应完毕后过滤得到碳酸锂滤液和滤渣一，滤渣一经硫酸浸出后过滤得到含镍钴锰滤液和滤渣二，添加硫酸盐调节含镍钴锰滤液中镍、钴、锰的比例，在保护气氛下与氢氧化钠溶液和氨水溶液进行沉淀反应，控制反应温度为50-70℃，反应pH值为10-11，沉淀反应后得到三元前驱体的浆料，过滤、洗涤、干燥得到三元前驱体。但是其工艺较为繁琐，且条件要求较为严格，不利于工业化的运作。
现有技术中回收三元电池中镍钴的工艺同样较为繁琐，废旧的三元电池拆解后需要经过焙烧、酸浸、氧化沉铁、氟化除镁和萃取除铜锰锌元素，最后萃取分离硫酸镍和硫酸钴，其中还有很多的过滤步骤，需要不停更换反应的环境，多次添加不同的反应所需的溶液，例如使用双氧水氧化沉淀铁离子，工序较多且复杂，需要大量的专业技术人员进行操作，这样不利于工业化的发展，现有技术中的回收方法提高了从三元电池中回收镍钴元素企业的运作门槛，且效率较低，很大程度阻碍了三元电池回收产业的发展，不利于环保和持续发展。
发明内容
1.要解决的技术问题
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种三元电池材料中镍钴元素的快速回收方法，它可以实现大幅简化了从三元电池中回收镍钴元素的回收方法，与现有技术相比，工序可减少30-40％，时间可缩短50-60％，且操作简单，无需大量的专业技术人员进行操作，可大幅降低镍钴元素回收企业的运作门槛，在保证镍钴元素的回收率的情况下，可大幅提升回收的效率，利于三元电池回收产业的发展，利于环保和持续发展。
2.技术方案
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
一种三元电池材料中镍钴元素的快速回收方法，包括以下步骤：
S1、物理预处理：将废旧的三元电池放置质量分数为1-3％在氯化钠溶液中进行放电，放电结束后，将电芯拆出，剪切为块状电芯，取100-150重量份的块状电芯放置在一体设备的反应筒中；
S2、焙烧氧化：通过一体设备的加热筒对块状电芯进行焙烧，焙烧温度为800-1000摄氏度，同时通过搅拌轴和搅拌棒进行击碎搅拌，持续7-11分钟，得到均质粉末；
S3、酸浸：停止焙烧，继续搅拌，加入氯化钠溶液20-30重量份，在加热筒的作用下保持反应筒内的温度为60-80摄氏度，从输液口向反应筒中加入100-120重量份的浓硫酸，进行酸浸搅拌；
S4、过滤：开启过滤机构，反应筒内的溶液通过过滤机构的过滤得到滤液，然后开启密封盘，将固体杂质取出；
S5、萃取提纯：将S4中的滤液利用P204萃取铜、锰和锌元素，利用P507萃取分离镍和钴元素，即得到高纯度硫酸钴和硫酸镍，再经蒸发结晶和离心脱水，可得到NiSO4·7H2O和CoSO4·7H2O。
本方案可以实现大幅简化了从三元电池中回收镍钴元素的回收方法，与现有技术相比，工序可减少30-40％，时间可缩短50-60％，且操作简单，可大幅降低镍钴元素回收企业的运作门槛，在保证镍钴元素的回收率的情况下，可大幅提升回收的效率，利于三元电池回收产业的发展，利于环保和持续发展。
进一步的，所述一体设备包括底座，所述底座的上端固定连接有支架，所述支架上连接有动力机构，所述动力机构上连接有搅拌轴，搅拌轴可为动力机构提供动力，带动搅拌轴的转动，所述搅拌轴上固定连接有多个搅拌棒，搅拌棒具有搅拌的效果，同时具有击碎块状电芯的效果，所述底座的上端连接有反应筒，反应筒为块状电芯击碎搅拌和酸浸的容器，且搅拌棒位于反应筒内，所述底座上连接有与反应筒相匹配的密封盘，开启密封盘可将反应筒内的不溶解的杂质排出，所述反应筒上套接有加热筒，加热筒的内侧连接有电加热网，加热筒的外侧设有隔热层，可保护工作人员不被高温灼伤，所述底座上固定连接有过滤机构，且反应筒的内部可通过过滤机构与外界连通，过滤机构内包括高分子过滤膜，具有防酸碱腐蚀的特性，可将反应筒内的沉淀和杂质过滤，且过滤机构具有开启和闭合的功能，可根据需要选择开启或闭合。
进一步的，所述反应筒的上端盖有常闭盖和常开盖，所述反应筒上固定连接有进料斗，且进料斗位于靠近常开盖的一侧，便于相反应筒内加入块状电芯。
进一步的，所述支架上固定连接有控制盒，所述控制盒上连接有操作面板可显示屏，所述显示屏上可显示反应筒内的温度，可通过在搅拌轴的内部安装感温头实现，经本领域技术人员的调试和安装，通过控制盒可对一体设备进行控制，并可通过一体设备的显示屏掌握实时的状态。
进一步的，所述常闭盖的上端固定连接有通气口和输液口，所述常闭盖上开凿有换气孔，换气孔可保证反应筒与外界的连通，通气口可连接抽风设备，可带走反应筒内的热量，热量经抽风设备抽出后可二次利用，同时通气口和通气孔的结合，可加强反应筒内的通风效果，输液口用于相反应筒内注入液体。
进一步的，所述过滤机构过滤的孔径为0.08-1.2纳米，可使沉淀的铁元素和其他杂质不会进入滤液。
进一步的，所述S1中，块状电芯的最大边长不大于10厘米，当电芯的最大边长不大于10厘米时，无需剪切，可保证焙烧和击碎搅拌的效果，在实际的操作中，也可由本领域技术人员根据实际的情况选择是否剪切及剪切块的大小。
进一步的，所述S2中，击碎搅拌分为第一阶段搅拌和第二阶段搅拌，所述第一阶段搅拌转速为20转每分钟，持续时间为3-5分钟，所述第二阶段搅拌转速为40转每分钟，持续时间为4-6分钟。
进一步的，所述S3，氯化钠溶液中氯化钠的质量分数为1-3％，所述氯化钠溶液可以是S1中经杂质过滤的氯化钠溶液。
进一步的，所述S3中，酸浸搅拌的速度为15-20转每分钟，时间为18-25分钟。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的优点在于：
(1)本方案可以实现大幅简化了从三元电池中回收镍钴元素的回收方法，与现有技术相比，本方案可以实现多个步骤在一体设备中同时完成，工序可减少30-40％，时间可缩短50-60％，且操作简单，无需大量的专业技术人员进行操作，可大幅降低镍钴元素回收企业的运作门槛，在保证镍钴元素的回收率的情况下，可大幅提升回收的效率，利于三元电池回收产业的发展，利于环保和持续发展。
(2)焙烧氧化步骤可通过通气口可连接抽风设备，同时利用通气口和通气孔的结合，可加强反应筒内的通风效果，也可带走少量的氧化锂蒸汽，便于提高镍钴的纯度，在高温且有空气存在的情况下，块状电芯中的二价铁离子会被氧化为三价铁离子，免去了现有技术中需要使用单独添加双氧水氧化二价铁离子变为三价铁离子的工序。
(3)酸浸步骤中提前加入氯化钠溶液，不仅仅可以对焙烧后的均质粉末进行降温，与现有技术中自然冷却相比，可将冷却所需的时间缩短70-90％，且氯化钠溶液中大部分的水会蒸发，会有大量的钠离子残留在均质粉末中，与随后加入浓硫酸中的硫酸根离子会形成碱金属硫酸盐，可除去稀土元素，免去了现有技术中单独过滤添加碱金属硫酸盐的工序。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图；
图2为本发明的一体设备结构示意图；
图3为本发明一体设备去加热筒结构示意图；
图4为本发明一体设备去加热筒和反应筒的结构示意图。
图中标号说明：
1底座、2支架、3动力机构、4控制盒、5搅拌轴、6搅拌棒、7常闭盖、8常开盖、9通气口、10输液口、11进料斗、12反应筒、13加热筒、14密封盘、15过滤机构。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图；对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然；所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例；而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例；本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例；都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”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，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。
实施例1：
请参阅图1，一种三元电池材料中镍钴元素的快速回收方法，包括以下步骤：
S1、物理预处理：将废旧的三元电池放置质量分数为2％在氯化钠溶液中进行放电，放电结束后，将电芯拆出，剪切为块状电芯，块状电芯的最大边长不大于10厘米，当电芯的最大边长不大于10厘米时，无需剪切，可保证焙烧和击碎搅拌的效果，在实际的操作中，也可由本领域技术人员根据实际的情况选择是否剪切及剪切块的大小，取100重量份的块状电芯放置在一体设备的反应筒12中。
S2、焙烧氧化：通过一体设备的加热筒13对块状电芯进行焙烧，焙烧温度为850摄氏度，同时通过搅拌轴5和搅拌棒6进行击碎搅拌，击碎搅拌分为第一阶段搅拌和第二阶段搅拌，第一阶段搅拌转速为20转每分钟，持续时间为4分钟，第二阶段搅拌转速为40转每分钟，持续时间为5分钟，得到均质粉末；
焙烧氧化与现有技术中的单纯焙烧不同，现有技术中一般在保护气体的氛围中进行焙烧，其中的二价铁离子不会被氧化，本方案可通过通气口9可连接抽风设备，同时利用通气口9和通气孔的结合，可加强反应筒12内的通风效果，也可带走少量的氧化锂蒸汽，便于提高镍钴的纯度，在高温且有空气存在的情况下，块状电芯中的二价铁离子会被氧化为三价铁离子，免去了现有技术中需要使用单独添加双氧水氧化二价铁离子变为三价铁离子的工序。
S3、酸浸：停止焙烧，继续搅拌，加入氯化钠溶液25重量份，氯化钠溶液中氯化钠的质量分数为2％，氯化钠溶液可以是S1中经杂质过滤的氯化钠溶液，在加热筒13的作用下保持反应筒12内的温度为70摄氏度，从输液口10向反应筒12中加入110重量份的浓硫酸，进行酸浸搅拌，酸浸搅拌的速度为13转每分钟，时间为22分钟；
与现有技术不同的是，提前加入氯化钠溶液，不仅仅可以对焙烧后的均质粉末进行降温，与现有技术中自然冷却相比，可将冷却所需的时间缩短70-90％，且氯化钠溶液中大部分的水会蒸发，会有大量的钠离子残留在均质粉末中，与随后加入浓硫酸中的硫酸根离子会形成碱金属硫酸盐，可除去稀土元素，免去了现有技术中单独过滤添加碱金属硫酸盐的工序。
S4、过滤：开启过滤机构15，反应筒12内的溶液通过过滤机构15的过滤得到滤液，然后开启密封盘14，将固体杂质取出；
S5、萃取提纯：将S4中的滤液利用P204萃取铜、锰和锌元素，利用P507萃取分离镍和钴元素，即得到高纯度硫酸钴和硫酸镍，再经蒸发结晶和离心脱水，可得到NiSO4·7H2O和CoSO4·7H2O。
请参阅图2-4，一体设备包括底座1，底座1的上端固定连接有支架2，支架2上连接有动力机构3，动力机构3上连接有搅拌轴5，搅拌轴5可为动力机构3提供动力，带动搅拌轴5的转动，搅拌轴5上固定连接有多个搅拌棒6，搅拌棒6具有搅拌的效果，同时具有击碎块状电芯的效果，底座1的上端连接有反应筒12，反应筒12为块状电芯击碎搅拌和酸浸的容器，且搅拌棒6位于反应筒12内，底座1上连接有与反应筒12相匹配的密封盘14，开启密封盘14可将反应筒12内的不溶解的杂质排出，反应筒12上套接有加热筒13，加热筒13的内侧连接有电加热网，加热筒13的外侧设有隔热层，可保护工作人员不被高温灼伤，底座1上固定连接有过滤机构15，且反应筒12的内部可通过过滤机构15与外界连通，过滤机构15内包括高分子过滤膜，具有防酸碱腐蚀的特性，可将反应筒12内的沉淀和杂质过滤，且过滤机构15具有开启和闭合的功能，可根据需要选择开启或闭合，过滤机构15过滤的孔径为0.08-1.2纳米，可使沉淀的铁元素和其他杂质不会进入滤液。
反应筒12的上端盖有常闭盖7和常开盖8，反应筒12上固定连接有进料斗11，且进料斗11位于靠近常开盖8的一侧，便于相反应筒12内加入块状电芯，支架2上固定连接有控制盒4，控制盒4上连接有操作面板可显示屏，显示屏上可显示反应筒12内的温度，可通过在搅拌轴5的内部安装感温头实现，经本领域技术人员的调试和安装，通过控制盒4可对一体设备进行控制，并可通过一体设备的显示屏掌握实时的状态。
常闭盖7的上端固定连接有通气口9和输液口10，常闭盖7上开凿有换气孔，换气孔可保证反应筒12与外界的连通，通气口9可连接抽风设备，可带走反应筒12内的热量，热量经抽风设备抽出后可二次利用，同时通气口9和通气孔的结合，可加强反应筒12内的通风效果，输液口10用于相反应筒12内注入液体。
本方案可以实现大幅简化了从三元电池中回收镍钴元素的回收方法，与现有技术相比，本方案可以实现多个步骤在一体设备中同时完成，工序可减少30％，时间可缩短50％，且操作简单，无需大量的专业技术人员进行操作，可大幅降低镍钴元素回收企业的运作门槛，在保证镍钴元素的回收率的情况下，可大幅提升回收的效率，利于三元电池回收产业的发展，利于环保和持续发展。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种三元电池材料中镍钴元素的快速回收方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、物理预处理：将废旧的三元电池放置在质量分数为1-3％的氯化钠溶液中进行放电，放电结束后，将电芯拆出，剪切为块状电芯，取100-150重量份的块状电芯放置在一体设备的反应筒(12)中；
S2、焙烧氧化：通过一体设备的加热筒(13)对块状电芯进行焙烧，焙烧温度为800-1000摄氏度，同时通过搅拌轴(5)和搅拌棒(6)进行击碎搅拌，持续7-11分钟，得到均质粉末；
S3、酸浸：停止焙烧，继续搅拌，加入氯化钠溶液20-30重量份，在加热筒(13)的作用下保持反应筒(12)内的温度为60-80摄氏度，从输液口(10)向反应筒(12)中加入100-120重量份的浓硫酸，进行酸浸搅拌；
S4、过滤：开启过滤机构(15)，反应筒(12)内的溶液通过过滤机构(15)的过滤得到滤液，然后开启密封盘(14)，将固体杂质取出；
S5、萃取提纯：将S4中的滤液利用P204萃取铜、锰和锌元素，利用P507萃取分离镍和钴元素，即得到高纯度硫酸钴和硫酸镍，再经蒸发结晶和离心脱水，可得到NiSO4·7H2O和CoSO4·7H2O；
所述一体设备包括底座(1)，所述底座(1)的上端固定连接有支架(2)，所述支架(2)上连接有动力机构(3)，所述动力机构(3)上连接有搅拌轴(5)，所述搅拌轴(5)上固定连接有多个搅拌棒(6)，所述底座(1)的上端连接有反应筒(12)，且搅拌棒(6)位于反应筒(12)内，所述底座(1)上连接有与反应筒(12)相匹配的密封盘(14)，所述反应筒(12)上套接有加热筒(13)，所述底座(1)上固定连接有过滤机构(15)，且反应筒(12)的内部可通过过滤机构(15)与外界连通，所述反应筒(12)的上端盖有常闭盖(7)和常开盖(8)，所述反应筒(12)上固定连接有进料斗(11)，且进料斗(11)位于靠近常开盖(8)的一侧。
2.根据权利要求1所述的一种三元电池材料中镍钴元素的快速回收方法，其特征在于：所述支架(2)上固定连接有控制盒(4)，所述控制盒(4)上连接有操作面板可显示屏，所述显示屏上可显示反应筒(12)内的温度，可通过在搅拌轴(5)的内部安装感温头实现。
3.根据权利要求1所述的一种三元电池材料中镍钴元素的快速回收方法，其特征在于：所述常闭盖(7)的上端固定连接有通气口(9)和输液口(10)，所述常闭盖(7)上开凿有换气孔。
4.根据权利要求1所述的一种三元电池材料中镍钴元素的快速回收方法，其特征在于：所述过滤机构(15)过滤的孔径为0.08-1.2纳米。
5.根据权利要求1所述的一种三元电池材料中镍钴元素的快速回收方法，其特征在于：所述S1中，块状电芯的最大边长不大于10厘米，当电芯的最大边长不大于10厘米时，无需剪切。
6.根据权利要求1所述的一种三元电池材料中镍钴元素的快速回收方法，其特征在于：所述S2中，击碎搅拌分为第一阶段搅拌和第二阶段搅拌，所述第一阶段搅拌转速为20转每分钟，持续时间为3-5分钟，所述第二阶段搅拌转速为40转每分钟，持续时间为4-6分钟。
7.根据权利要求1所述的一种三元电池材料中镍钴元素的快速回收方法，其特征在于：所述S3，氯化钠溶液中氯化钠的质量分数为1-3％，所述氯化钠溶液可以是S1中经杂质过滤的氯化钠溶液。
8.根据权利要求1所述的一种三元电池材料中镍钴元素的快速回收方法，其特征在于：所述S3中，酸浸搅拌的速度为15-20转每分钟，时间为18-25分钟。
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