CN109926197B - 一种废旧锂电池湿法回收生产线正极材料预处理筛选机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种废旧锂电池湿法回收生产线正极材料预处理筛选机构，包括若干个由上至下依次排列的摇床单元，所述摇床单元包括床架，摇床单元安装于摇床底座上，最下方的一个摇床单元的床架支架安装于摇床底座上，相邻的摇床单元的床架之间通过支撑支架连接；摇床底座的底部设有离心系统，离心系统包括转盘、基座和离心驱动机构，转盘设于基座顶部，基座顶部设有与转盘间隙配合的凹槽，转盘嵌于基座内；本发明通过离心系统对摇床单元进行转动，综合对于物料进行分选，不需要摇床降低运行速度也能够提供提高精细度，适用于锂电池预处理后的材料的筛选，值得大力推广。

Description

一种废旧锂电池湿法回收生产线正极材料预处理筛选机构

技术领域

本发明涉及废旧锂电池回收技术领域，具体是一种废旧锂电池湿法回收生产线正极材料预处理筛选机构。

背景技术

随着全球化石资源的日益紧缺和环境保护的迫切需要，发展电动汽车以减少资源消耗并降低环境污染正逐渐成为广泛的共识。近几年来，国家对电动汽车大力扶持，促使电动汽车的产量急剧上升，截至2016年，中国累计生产电动汽车101.4万辆，市场保有量也接近100万辆。

然而，大量投入市场的电动汽车不可避免地会带来电池寿命终止后的回收处理问题。据报道，我国私家车纯电动/插电式汽车的动力电池组使用寿命通常为4～6年；而对于公交车、出租车等车型，其动力电池组的寿命更低，一般为2～3年。2016年中国锂离子动力电池的报废量约在5～8万吨，预计到2020年报废量将达到12～17万吨。锂离子动力电池中含有大量的有价金属及有机物，若不加以回收利用会造成严重的环境污染以及资源浪费。

国内废旧锂离子动力电池回收在法律、渠道、成本等诸多方面存在问题，阻碍了回收市场的快速发展。动力电池企业电池回收业务尚处于规划与试验阶段，电池厂商在动力电池回收方面的进展缓慢。随着我国电动汽车数量的不断增多，废旧锂离子动力电池的数量也在持续增长，这意味着有必要建立合适的废旧锂离子动力电池处理方案。因此，开展对废旧锂离子动力电池的回收研究对中国实现循环经济和可持续发展具有深远意义。

锂离子动力电池的结构

目前电动汽车所采用的锂离子动力电池主要由电池包构成，电池包由电池模块、外壳和电池管理系统组成。电池模块由极芯、外壳和紧固件等构成。其中，极芯中含有大量的有价金属，因此我们主要针对极芯进行回收。极芯的结构主要有软包结构和金属壳硬包结构，一般包括外壳、正极、负极、隔膜、正极耳、负极耳和绝缘片。

正极一般以铝箔作为基底，两侧均匀涂覆正极材料，正极材料包括一定配比的正极活性物质(如钴酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂和三元材料等)、导电添加剂(如乙炔黑、石墨等)以及粘结剂(聚偏氟乙烯(PVDF)为主)。以三元材料电池为例，其正极含有大量的有价金属，其中钴占5～20％，镍占5～12％，锰占7～10％，锂占2～5％。

负极一般以铜箔作为基底，两侧均匀涂覆负极电极材料，负极材料包括一定配比的负极活性物质(石墨、硅碳等)和粘结剂(丁苯橡胶(SBR)、丙烯酸树酯(PAA)、羧甲基纤维素钠(CMC-Na)等)。正、负极活性物质分别与粘结剂相互混合均匀，涂覆在正负极基底上，再经过干燥，碾压后制成正负极材料。

隔膜有PP膜和PE膜，分为单层和多层结构，以三层PP/PE/PP膜为主。电解液采用含锂化合物作为溶质与有机溶剂混合而成，溶质以六氟磷酸锂(LiPF6)为主；有机溶剂为碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)等几种溶剂的混合液。根据正极材料的不同，可以将锂离子动力电池分为钴酸锂动力电池、磷酸铁锂动力电池、锰酸锂动力电池和三元材料动力电池等。

废旧锂离子动力电池所含污染物种类多，毒性大。含有重金属化合物、六氟磷酸锂(LiPF6)、苯类、酯类化合物，难以被微生物降解。电池的电极材料一旦进入环境中，电池中的重金属离子、有机物、碳粉尘、氟化物等将可能造成严重的环境污染。其中，正材料会造成重金属污染，污染水体和土壤；负极材料会引发粉尘污染；电解液会引发氟污染以及有机物污染；隔膜材料会造成白色污染。而且，铜、镍、钴、锰、锂等有价金属的流失还会造成资源的浪费。

综上所述，对废旧锂离子动力电池加以回收利用，不仅能推动中国循环经济的发展，同时对于中国的生态文明建设具有显著的意义。

废旧锂离子动力电池回收现状

对废旧锂离子动力电池回收与处理，目的是有效分离电池各组分，提取纯化电池中的有价金属，同时减小废弃物对环境的污染。在过去的十年时间里，有大量的文献和专利来介绍废旧锂离子动力电池回收

虽然废旧锂离子动力电池到了报废的阶段，但电池中仍然有一部分残余的电量没有被消耗掉，因此在电池资源化回收处理电池之前，需要对电池进行放电处理。

与其它电池不同，锂离子动力电池的充放电过程中会造成部分金属锂粘附在正负极的表面，金属锂极易与水发生反应生成氢气H2。此外，锂离子动力电池中含有的电解液遇水会生成有毒的HF。

鉴于这些情况，在回收电池中有价金属前，需要先对电池进行合适的预处理，消除这些潜在的危险。预处理步骤主要包括深度放电过程、破碎、物理分选

为了避免电池自燃，因此在处理前需要将废旧锂离子动力电池深度放电。目前，深度放电主要包括两种方法，浸泡法和电阻法。

浸泡法是指将电池浸泡在电解质溶液中，从而促使电池完全放电，常用的电解质溶液是碳酸钠(Na2CO3)溶液和氯化钠(NaCl)溶液。昝振峰等将废旧锂离子动力电池置于亚硫酸(H2SO3)溶液、Na2CO3溶液以及NaCl溶液浸泡24h。最后结果表明，经NaCl溶液浸泡后的电池，残余电压最低。浸泡法的优点是能够将电池中的剩余电能完全释放出来；同时放电过程中，电池也不会出现过热的现象。缺点是浸泡所需的时间长。

电阻法是指在锂离子动力电池两端连接电阻或者其它导体，造成电池短路，实现电池完全放电。Krüger等采用了金属粉末和石墨短路两种方式对废旧锂离子动力电池进行放电。电阻法的优点是放电快且完全；缺点是短时间内会积聚大量的热，导致电池爆炸。

废旧锂离子动力电池在进入最终的处理之前需要对其进行破碎处理，为后续的处理降低难度。破碎是指破坏电池中各材料的完整形态，甚至进行粉碎和研磨，然后采用选矿、冶金的手段实现各材料的分离和回收。

电池中的电解液极易与水反应，生成有毒的HF气体；

因此，为了防止有毒物质HF的产生，赵东江等将电池打孔置于稀碱水(pH＝9～10)溶液中，电池中释放出来的电解液与水反应生成的HF被碱液吸收；

再对浸泡后的电池进行破碎处理。Georgi-Maschlera等通过将电池置于液氮中低温处理4min，促使电池中各成分失活，然后再进行破碎处理，低温条件下可以有效减弱金属锂和电解液的活性，从而减小其在破碎过程中产生的影响，但该方法成本过高，工业生产中不具有可行性。

Recupyl工艺将电池置于充满氩气和二氧化碳的惰性气体中破碎，这种方法有效避免金属锂和电解液与水接触，从而破碎过程中不会生成HF。Batrec工艺先将废旧锂离子动力电池的各成分一一分开，然后将得到的各成分分别置于二氧化碳气氛中粉碎，电池中残余的金属锂会与二氧化碳气体反应，从而减少其在破碎过程中带来的危害。

由于破碎过程不可能在完全密闭的环境下进行，破碎过程中有机物的挥发会污染生产线周边的环境，从而危害工人健康。

物理分选过程主要用来分选破碎后电池碎片中的外壳和隔膜。根据外壳和隔膜与正负极比重、可浮性、磁性等性质的差异，采用不同的物理分选的方式分选出外壳和隔膜。

Shin等提出了一个新的处理废旧钴酸锂电池的方法。采用破碎、筛分、磁选、细磨以及重力分选等方式，将电池碎片中的各成分分开，从而分离回收外壳和隔膜。Bertuol等将水力淘洗法运用于废旧钴酸锂电池处理：首先，用棒磨机将电池研磨至10mm以下，将研磨后的电池碎片置于筛孔为0.211mm的振动筛中，筛下物为LiCoO2和石墨的混合物。将筛上物置于水力淘洗床中，水力淘洗与振动筛分作用相结合，将电池碎片中各成分一一分离，最后可分别得到正极、负极、隔膜、外壳。

通过物理分选优先回收隔膜和外壳，得到的正负极在破碎过程中由于机械物理作用会造成部分正负极材料从基底上脱落下来，但是大部分材料还附着在基底上。因此，我们要对破碎后的电池碎片进行二次处理。

在废旧锂电池的预处理阶段，需要对于粉碎后的材料进行筛选，现有技术中一般是采用矿用分选机进行筛选，分选的精细度较低，提高精细度就会大大降低分选效率，因此需要提供一种相较于现有分选机来说高效的筛选设备。

发明内容

本发明的目的在于提供一种精细度高，效率高废旧锂电池湿法回收生产线正极材料预处理筛选机构，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种废旧锂电池湿法回收生产线正极材料预处理筛选机构，包括若干个由上至下依次排列的摇床单元，所述摇床单元包括床架，摇床单元安装于摇床底座上，最下方的一个摇床单元的床架支架安装于摇床底座上，相邻的摇床单元的床架之间通过支撑支架连接；

摇床底座的底部设有离心系统，离心系统包括转盘、基座和离心驱动机构，转盘设于基座顶部，基座顶部设有与转盘间隙配合的凹槽，转盘嵌于基座内，转盘的底部设有转轴，转轴的底部插入基座内的轴孔中，转盘的外周套有齿圈；凹槽一侧的基座上设有缺口，离心驱动机构的驱动齿轮设于该缺口内，该驱动齿轮连接离心驱动电机的输出轴。离心驱动电机通过齿轮传动带动转盘在基座内部转动，以转轴为旋转中心，进而带动转盘顶部的摇床单元跟随转动，从而对于摇床单元上的物料产生与摇床单元垂直的剪切力，配合摇床单元本身的往复移动来提高对于物料的筛选效率。

作为本发明进一步的方案：所述离心驱动电机的输出轴还连接减速机的输入轴，减速机的输出轴连接驱动齿轮。通过减速机提供更大的扭矩。

作为本发明进一步的方案：所述转盘下方的的基座上设有环形轨道，该环形轨道内嵌有若干个钢球，钢球与转盘底部接触，能够降低转盘对于转轴的压力，降低离心系统的损耗

所述床架上通过皮带辊支架安装前端皮带辊和后端皮带辊，前端皮带辊与后端皮带辊之间设有输送皮带，前端皮带辊和后端皮带辊之间设有若干个支撑辊，前端皮带辊的一端安装前端带轮；支撑辊的两端中心设有支撑辊轴，支撑辊轴通过轴承安装在支撑辊支架上，支撑辊轴上套有扭簧，扭簧的一端固定连接支撑辊支架，另一端与支撑辊轴固定连接；

作为本发明进一步的方案：所述输送皮带的上方设有给料槽和给水槽。

作为本发明进一步的方案：所述输送皮带的内面设有若干个垂直于输送皮带长边设置的V型槽，前端皮带辊、后端皮带辊和支撑辊的表面均设有与V型槽配合的均匀环形阵列分布的V型齿。

作为本发明进一步的方案：所述前端皮带辊和后端皮带辊均通过皮带辊轴安装在皮带轮支架上的轴承座上。

作为本发明进一步的方案：所述驱动架安装于转盘上。

本发明设计皮带辊以及支撑辊安装的输送皮带作为床身，通过主电机带动，当输送皮带向一个方向运动一个行程后，主电机断电，支撑辊上的扭簧通过积蓄的弹力带动支撑辊反转进而带动输送皮带向另一个方向运动一个行程，然后再启动主电机以此往复，另外还可设计安装主动齿轮和若干个从动齿轮的驱动架，通过齿轮传递动力为多个床架上的输送皮带提供动力，能够平均的将动力输送到各个床架，以齿轮之间的传动保持同步，提要运行的稳定性。

作为本发明进一步的方案：若干个摇床单元连接摇床驱动机构，摇床驱动机构包括安装于驱动架上的主电机，主电机的输出轴上设有主带轮，主带轮通过皮带传动连接主动带轮，主动带轮通过主动轴连接驱动架，主动轴上设有主动齿轮，主动齿轮与若干个从动齿轮啮合，从动齿轮通过从动轴安装于驱动架上，从动轴上还设有从动带轮，从动带轮通过带传动连接床架的前端带轮，实现主电机对于若干个摇床单元的驱动。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过离心系统对摇床单元进行转动，综合对于物料进行分选，不需要摇床降低运行速度也能够提供提高精细度，适用于锂电池预处理后的材料的筛选。

本发明通过若干个摇床单元并行的方式，提高设备集成度，便于系统的安装。

附图说明

图1为实施例一中废旧锂电池湿法回收生产线正极材料预处理筛选机构的结构示意图。

图2为实施例一中废旧锂电池湿法回收生产线正极材料预处理筛选机构中摇床单元的结构示意图。

图3为实施例一中废旧锂电池湿法回收生产线正极材料预处理筛选机构中支撑辊的结构示意图。

图4为实施例一中废旧锂电池湿法回收生产线正极材料预处理筛选机构中离心系统的结构示意图。

图5为实施例二中废旧锂电池湿法回收生产线正极材料预处理筛选机构中离心系统的结构示意图。

图6为实施例二中废旧锂电池湿法回收生产线正极材料预处理筛选机构中基座的结构示意图。

图中附图标记如下表：

1	床架	2	前端皮带辊
				3	后端皮带辊	4	输送皮带
5	支撑辊	501	支撑辊轴
				502	扭簧	503	支撑辊支架
6	驱动架	7	主带轮
				8	从动带轮	9	从动齿轮
10	主动齿轮	11	主动带轮
				31	转盘	32	基座
33	转轴	34	齿圈
				35	缺口	36	驱动齿轮
37	离心驱动电机	38	环形轨道
				39	钢球

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

实施例一

请参阅图1-4，一种废旧锂电池湿法回收生产线正极材料预处理筛选机构，包括若干个由上至下依次排列的摇床单元，所述摇床单元包括床架1，摇床单元安装于摇床底座上，最下方的一个摇床单元的床架1支架安装于摇床底座上，相邻的摇床单元的床架1之间通过支撑支架连接；

摇床底座的底部设有离心系统，离心系统包括转盘31、基座32和离心驱动机构，转盘31设于基座32顶部，基座32顶部设有与转盘31间隙配合的凹槽，转盘31嵌于基座32内，转盘31的底部设有转轴33，转轴33的底部插入基座32内的轴孔中，转盘31的外周套有齿圈34；凹槽一侧的基座32上设有缺口35，离心驱动机构的驱动齿轮36设于该缺口35内，该驱动齿轮36连接离心驱动电机37的输出轴。离心驱动电机37通过齿轮传动带动转盘31在基座32内部转动，以转轴33为旋转中心，进而带动转盘31顶部的摇床单元跟随转动，从而对于摇床单元上的物料产生与摇床单元垂直的剪切力，配合摇床单元本身的往复移动来提高对于物料的筛选效率。

进一步，离心驱动电机37的输出轴还连接减速机的输入轴，减速机的输出轴连接驱动齿轮36。通过减速机提供更大的扭矩。

所述床架1上通过皮带辊支架安装前端皮带辊2和后端皮带辊3，前端皮带辊2与后端皮带辊3之间设有输送皮带4，前端皮带辊2和后端皮带辊3之间设有若干个支撑辊5，前端皮带辊2的一端安装前端带轮；支撑辊5的两端中心设有支撑辊轴501，支撑辊轴501通过轴承安装在支撑辊支架503上，支撑辊轴501上套有扭簧502，扭簧502的一端固定连接支撑辊支架503，另一端与支撑辊轴501固定连接；

进一步，输送皮带4的上方设有给料槽21和给水槽22。

进一步，输送皮带4的内面设有若干个垂直于输送皮带4长边设置的V型槽，前端皮带辊2、后端皮带辊3和支撑辊5的表面均设有与V型槽配合的均匀环形阵列分布的V型齿。

进一步，前端皮带辊2和后端皮带辊3均通过皮带辊轴安装在皮带轮支架上的轴承座上。

进一步，给料槽21和给水槽22通过支架安装在床架1上。

进一步，可以将前端带轮、从动带轮8、主动带轮11和主带轮7替换为链轮。

进一步，若干个床架1的给料槽21通过管道连接分料器的出料口，通过分料器进行均布的分料，保证各个床架1上输送等量的物料。

进一步，驱动架6安装于转盘31上。

摇床单元的工作原理：本发明设计皮带辊以及支撑辊5安装的输送皮带4作为床身，通过主电机带动，当输送皮带4向一个方向运动一个行程后，主电机断电，支撑辊5上的扭簧502通过积蓄的弹力带动支撑辊5反转进而带动输送皮带4向另一个方向运动一个行程，然后再启动主电机以此往复，另外还可设计安装主动齿轮10和若干个从动齿轮9的驱动架6，通过齿轮传递动力为多个床架1上的输送皮带4提供动力，能够平均的将动力输送到各个床架1，以齿轮之间的传动保持同步，提要运行的稳定性。

实施例二

在实施例一的基础上，若干个摇床单元连接摇床驱动机构，摇床驱动机构包括安装于驱动架6上的主电机，主电机的输出轴上设有主带轮7，主带轮7通过皮带传动连接主动带轮11，主动带轮11通过主动轴连接驱动架6，主动轴上设有主动齿轮10，主动齿轮10与若干个从动齿轮9啮合，从动齿轮9通过从动轴安装于驱动架6上，从动轴上还设有从动带轮8，从动带轮8通过带传动连接床架1的前端带轮，实现主电机对于若干个摇床单元的驱动。

实施例三

请参阅图5-6，与实施例一不同的是，转盘31下方的的基座32上设有环形轨道38，该环形轨道38内嵌有若干个钢球39，钢球39与转盘31底部接触，能够降低转盘31对于转轴33的压力，降低离心系统的损耗。

上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (1)

1.一种废旧锂电池湿法回收生产线正极材料预处理筛选机构，其特征在于，包括若干个由上至下依次排列的摇床单元，所述摇床单元包括床架，摇床单元安装于摇床底座上，最下方的一个摇床单元的床架支架安装于摇床底座上，相邻的摇床单元的床架之间通过支撑支架连接；摇床底座的底部设有离心系统，离心系统包括转盘、基座和离心驱动机构，转盘设于基座顶部，基座顶部设有与转盘间隙配合的凹槽，转盘嵌于基座内，转盘的底部设有转轴，转轴的底部插入基座内的轴孔中，转盘的外周套有齿圈；凹槽一侧的基座上设有缺口，离心驱动机构的驱动齿轮设于该缺口内，该驱动齿轮连接离心驱动电机的输出轴；

离心驱动电机通过齿轮传动带动转盘在基座内部转动，以转轴为旋转中心，进而带动转盘顶部的摇床单元跟随转动，从而使摇床单元上的物料产生与摇床单元垂直的剪切力，配合摇床单元本身的往复移动来提高对于物料的筛选效率；

所述离心驱动电机的输出轴还连接减速机的输入轴，减速机的输出轴连接驱动齿轮；

所述转盘下方的基座上设有环形轨道，该环形轨道内嵌有若干个钢球，钢球与转盘底部接触；

所述床架上通过皮带辊支架安装前端皮带辊和后端皮带辊，前端皮带辊与后端皮带辊之间设有输送皮带，前端皮带辊和后端皮带辊之间设有若干个支撑辊，前端皮带辊的一端安装前端带轮；支撑辊的两端中心设有支撑辊轴，支撑辊轴通过轴承安装在支撑辊支架上，支撑辊轴上套有扭簧，扭簧的一端固定连接支撑辊支架，另一端与支撑辊轴固定连接；

所述输送皮带的上方设有给料槽和给水槽；

所述输送皮带的内面设有若干个垂直于输送皮带长边设置的V型槽，前端皮带辊、后端皮带辊和支撑辊的表面均设有与V型槽配合的均匀环形阵列分布的V型齿；

所述前端皮带辊和后端皮带辊均通过皮带辊轴安装在皮带轮支架上的轴承座上；

驱动架安装于转盘上；

若干个摇床单元连接摇床驱动机构，摇床驱动机构包括安装于驱动架上的主电机，主电机的输出轴上设有主带轮，主带轮通过皮带传动连接主动带轮，主动带轮通过主动轴连接驱动架，主动轴上设有主动齿轮，主动齿轮与若干个从动齿轮啮合，从动齿轮通过从动轴安装于驱动架上，从动轴上还设有从动带轮，从动带轮通过带传动连接床架的前端带轮。

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