CN110165323A - 锂电池回收方法和设备 - Google Patents

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Shanghai Precision Measurement Semiconductor Technology Inc
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Abstract

本发明公开了一种锂电池回收方法和设备。此锂电池回收方法包括：去除废弃锂电池的外壳，得到电池卷芯；破碎处理所述电池卷芯，得到电极混合碎片；检测所述电极混合碎片；根据检测结果将所述电极混合碎片中的正极碎片和负极碎片分离；分别处理所述正极碎片以及所述负极碎片，回收正极材料、正极衬底金属、负极材料以及负极衬底金属。本发明实施例提供的技术方案，通过将正极碎片和负极碎片分离，各自分开处理，分别回收，可对锂电池的正极和负极的组成材料进行有效分离和分别回收，有利于提高废旧锂电池的资源化程度。

Description

锂电池回收方法和设备
技术领域
本发明实施例涉及废旧电池的回收处理技术领域，尤其涉及一种锂电池回收方法和设备。
背景技术
锂电池因具有电压高、比容量大和无记忆效应等优点，通常用作便携式电子电气设备的动力源。锂电池主要由外壳、正极、负极、电解液与隔膜组成，正极通常是由活性材料(如钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、三元镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂等)、导电剂和黏合剂一起在溶剂中分散形成均匀胶状混合物，再涂布于铝箔上形成。其中，活性材料具有脱嵌锂离子的特性，决定了锂离子电池的电压和能量密度等基本性能；导电剂通常为能够增加活性材料导电性的石墨类化合物。负极结构与正极类似，通常可将活性物质碳粉粘结于铜箔上形成。锂电池中包含高价值的钴、锂和镍等金属资源，通过对废旧锂电池进行回收，可将钴、锂、镍等有价金属进行提取，并循环再利用。该方式是规避上游原材料稀缺和价格波动风险的有效途径，经济效益显著。
目前，废弃锂电池的回收，通常采用机械破碎方式，将电极整体(即电池卷芯，包括正极和负极)碎片并处理，该过程不能对电极组成材料进行有效分离，废旧锂电池资源化程度较低。
发明内容
本发明实施例提供一种锂电池回收方法和设备，以对电极组成材料进行有效分离，有利于提高废旧锂电池的资源化程度。
本发明实施例提出一种锂电池回收方法，该锂电池回收方法包括：
去除废弃锂电池的外壳，得到电池卷芯；
破碎处理所述电池卷芯，得到电极混合碎片；
检测所述电极混合碎片；
根据检测结果将所述电极混合碎片中的正极碎片和负极碎片分离；
分别处理所述正极碎片以及所述负极碎片，回收正极材料、正极衬底金属、负极材料以及负极衬底金属。
进一步地，所述检测所述电极混合碎片包括：
采用X射线电子计算机断层扫描技术检测所述电极混合碎片。
进一步地，所述采用X射线电子计算机断层扫描技术检测所述电极混合碎片包括：
利用X射线照射所述电极混合碎片；
获取所述电极混合碎片的扫描图像和/或所述电极混合碎片的衬底的密度值。
进一步地，所述根据检测结果将所述电极混合碎片中的正极碎片和所述负极碎片分离包括：
根据所述电极混合碎片的扫描图像和/或所述电极混合碎片的衬底的密度值，确定所述电极混合碎片中的所述正极碎片以及所述负极碎片，并将所述正极碎片和所述负极碎片分离。
进一步地，所述根据所述电极混合碎片的扫描图像和/或所述电极混合碎片的衬底的密度值，确定所述电极混合碎片中的所述正极碎片以及所述负极碎片包括：
根据所述电极混合碎片的扫描图像中的所述电极混合碎片的亮暗度确定所述电极混合碎片中的所述正极碎片和所述负极碎片；其中，正极碎片对应的扫描图像的亮度大于负极碎片对应的扫描图像的亮度；
和/或，根据所述电极混合碎片的衬底的密度值，确定所述电极混合碎片中的所述正极碎片以及所述负极碎片；其中，所述正极碎片的衬底的密度值大于所述负极碎片的衬底的密度值。
进一步地，所述利用X射线照射所述电极混合碎片的同时还包括：
在形成所述扫描图像的视场范围内，旋转待检测的所述电极混合碎片。
进一步地，所述检测所述电极混合碎片之前还包括：
烘干所述电极混合碎片。
进一步地，分别处理所述正极碎片以及所述负极碎片，回收正极材料、正极衬底金属、负极材料以及负极衬底金属包括：
采用干法高温热分解方法和/或湿法冶金方法，分别处理所述正极碎片以及所述负极碎片，回收正极材料、正极衬底金属、负极材料以及负极衬底金属。
进一步地，所述去除废弃锂电池的外壳，得到电池卷芯之前还包括：
将所述废弃锂电池放电。
本发明实施例还提供一种锂电池回收设备，该锂电池回收设备包括：
外壳去除装置，用于去除废弃锂电池的外壳，得到电池卷芯；
破碎处理装置，用于破碎处理所述电池卷芯，得到电极混合碎片；
碎片检测装置，用于检测所述电极混合碎片；
碎片分离装置，用于根据检测结果将所述电极混合碎片中的正极碎片和负极碎片分离；
碎片处理装置，用于分别处理所述正极碎片以及所述负极碎片，回收正极材料、正极衬底金属、负极材料以及负极衬底金属。
本发明实施例提供的锂电池回收方法，通过将电极混合碎片分离，以分别对正极碎片和负极碎片进行处理回收，可对锂电池的正极和负极组成材料进行有效分离并分别回收，有利于提高废旧锂电池的资源化程度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种锂电池回收方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的一种锂电池的立体结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种锂电池的正极结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种锂电池的负极结构示意图；
图5是本发明实施例提供的另一种锂电池回收方法的流程示意图；
图6是本发明实施例提供的又一种锂电池回收方法的流程示意图；
图7是图6中S331的检测原理图；
图8是图6中S332的检测结果图；
图9是本发明实施例提供的又一种锂电池回收方法的流程示意图；
图10是本发明实施例提供的一种锂电池回收设备的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
图1是本发明实施例提供的一种锂电池回收方法的流程示意图。参照图1，该锂电池回收方法包括：
S110、去除废弃锂电池的外壳，得到电池卷芯。
其中，锂电池的外壳时是指锂电池的绝缘外壳，用于锂电池的绝缘保护。电池卷芯包括正极片(即文中的正极)和负极片(即文中的负极)。该步骤可包括，将废弃锂电池(也可称为废旧锂电池)拆解，得到完整的正极和负极。
示例性的，图2是本发明实施例提供的一种锂电池的立体结构示意图。参照图2，锂电池600可包括由中心向外依次设置的电解液650、负极620、隔膜640、正极610、隔膜640以及外壳630。其中，正极610和负极620分别由电池顶部引出，以方便锂电池600与外界交互进行充电或放电。
示例性的，图3是本发明实施例提供的一种锂电池的正极结构示意图。参照图3，正极610可包括正极衬底611以及涂布于其上的正极材料612。正极衬底611可为铝箔，正极材料612可包括由活性材料(如钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、三元镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂等)与导电剂(如碳黑)和黏合剂一起在溶剂中分散形成均匀胶状混合物。
示例性的，图4是本发明实施例提供的一种锂电池的负极结构示意图。参照图4，负极620可包括负极衬底621以及粘附于其上的负极材料622。负极衬底621可为铜箔，负极材料622可包括活性碳粉和粘结剂。其中，负极620中的铜(含量达35％左右)是一种广泛使用的重要生产原料；粘附于其上的碳粉，可作为塑料、橡胶等添加剂使用。因此，对锂电池的负极620的组成材料进行有效分离，对于最大限度地实现废弃锂电池资源化，有着极其重要的意义。
示例性的，废旧锂电池可包括磷酸铁锂电池、三元锂电池、钴酸锂电池、锰酸锂电池以及本领域技术人员可知的其他类型的锂电池，本发明实施例对此不作限定。此外，图2、图3和图4仅示例性的说明了锂电池的结构，但并不构成对跟发明实施例提供的锂电池回收方法中的锂电池的限定。在其他实施方式中，锂电池还可为本领域技术人员可知的其他结构，本发明实施例对此不作限定。
示例性的，该步骤还可为采用冷切割方法将锂电池沿顶部切割开，拆解去除外壳，以得到电池卷芯。在其他实施方式中，还可采用本领域技术人员可知的其他方式得到电池卷芯，本发明实施例对此不作限定。
S120、破碎处理电池卷芯，得到电极混合碎片。
其中，该步骤将整片的电极破碎，形成碎片的电极，以方便后续对正极和负极的组成材料进行有效回收。其中，电极混合碎片包括多片待检测电极碎片，该待检测电极碎片为正极碎片或负极碎片。
示例性的，该步骤中破碎处理可包括一级破碎或多级破碎步骤。待检测电极碎片可为长方形或正方形或本领域技术人员可知的其他形状，本发明实施例对此不作限定。
S130、检测电极混合碎片。
其中，该步骤为后续将正极碎片与负极碎片分离做准备。
示例性的，该步骤可包括单独地依次检测前序步骤中形成的待检测电极碎片。
S140、根据检测结果将电极混合碎片中的正极碎片和负极碎片分离。
其中，检测结果中包括可表征待检测电极碎片为正极碎片或负极碎片的一个或多个特征，根据该一个或多个特征，可将正极碎片和负极碎片正确区分并分离。
示例性的，该步骤中的分离方式可为人工分离或机械分离，本发明实施例对此不作限定。
至此，可将正极碎片和负极碎片正确区分并有效分离，为后续将正极的组成材料和负极的组成材料各自分开回收做准备。
S150、分别处理正极碎片以及负极碎片，回收正极材料、正极衬底金属、负极材料以及负极衬底金属。
其中，正极组成材料可包括正极材料和正极衬底金属，负极组成材料可包括负极材料和负极衬底金属。该步骤可包括处理正极碎片，回收正极材料和正极衬底金属；处理负极碎片，回收负极材料和负极衬底金属。
该步骤中，将正极组成材料和负极组成材料各自分开回收，可提高锂电池的正极组成材料和负极组成材料的回收提取率，实现对正极组成材料和负极组成材料的有效回收，有利于将锂电池材料完全回收到位，提高废旧锂电池的资源化程度。
可选的，图5是本发明实施例提供的另一种锂电池回收方法的流程示意图，包括了对图1中的S130的进一步细化。参照图5，该锂电池回收方法可包括：
S210、去除废弃锂电池的外壳，得到电池卷芯。
S220、破碎处理电池卷芯，得到电极混合碎片。
S230、采用X射线电子计算机断层扫描技术检测电极混合碎片。
其中，电子计算机断层扫描(Computed Tomography，CT)是利用精确准直的X线束、γ射线、超声波等，与灵敏度极高的探测器一同围绕待检测电极碎片作一个接一个的断面扫描，并将断面扫描结合处理，获得断层面图像的方法，具有扫描时间快，图像清晰等特点。
其中，CT扫描图像可表征待检测电极碎片的衬底的密度大小，根据待检测电极碎片中的正极碎片的衬底的密度与负极碎片的衬底的密度值的不同，该CT扫描图像可正确反映待检测电极碎片为正极碎片或负极碎片。
其中，X射线CT技术可采用常规焦点CT、小焦点CT或微焦点CT。示例性的，常规CT的焦点A1通常为A1＞0.1mm，小焦点CT和微焦点CT的焦点尺寸A2通常为A2＜10μm，小焦点和微焦点在尺寸上没有明确的区分。采用小焦点CT或微焦点CT，X射线源靶点尺寸小，机械传动精度较高，成像分辨力更强。示例性的，CT检测条件可为，扫描电压50KV-500KV，扫描电流0.1mA-5.0mA，焦点尺寸0.004mm-2mm；也可根据实际检测需求，设置上述扫描电压、扫描电流和焦点尺寸范围为本领域技术人员可知的其他范围，本发明实施例对此不作限定。
由此，该步骤可快速正确地检测电极混合碎片。
S240、根据检测结果将电极混合碎片中的正极碎片和负极碎片分离。
S250、分别处理正极碎片以及负极碎片，回收正极材料、正极衬底金属、负极材料以及负极衬底金属。
可选的，图6是本发明实施例提供的又一种锂电池回收方法的流程示意图，包括了对图5中S230的进一步细化。参照图6，该锂电池回收方法可包括：
S310、去除废弃锂电池的外壳，得到电池卷芯。
S320、破碎处理电池卷芯，得到电极混合碎片。
随后，利用X射线电子计算机断层扫描技术检测电极混合碎片，包括S331和S332。
S331、利用X射线照射电极混合碎片。
示例性的，图7是图6中S331的检测原理图。参照图7，将待检测电极碎片700放在X射线源710和检测器720之间，使待检测电极碎片700旋转一定角度，在此过程中，检测器720收集X射线透过待检测电极碎片700后的数据，并重建出计算机断层扫描图像，即获得CT图像。
需要说明的是，还可利用本领域技术人员可知的其他类型的光源照射电极混合碎片，本发明实施例对此不作限定。
S332、获取电极混合碎片的扫描图像和/或电极混合碎片的衬底的密度值。
其中，CT技术可直接获取扫描图像以及待检测的电极碎片的衬底的密度值，为后续步骤做准备。
S340、根据检测结果将电极混合碎片中的正极碎片和负极碎片分离。
可选的，在S332的基础上，该步骤可包括：根据电极混合碎片的扫描图像和/或电极混合碎片的衬底的密度值，确定电极混合碎片中的正极碎片以及负极碎片，并将正极碎片和负极碎片分离。
可选的，该步骤进一步地可包括：根据电极混合碎片的扫描图像中的电极混合碎片的亮暗度确定电极混合碎片中的正极碎片和负极碎片；其中，正极碎片对应的扫描图像的亮度大于负极碎片对应的扫描图像的亮度；和/或，根据电极混合碎片的衬底的密度值，确定电极混合碎片中的正极碎片以及负极碎片；其中，正极碎片的衬底的密度值大于负极碎片的衬底的密度值。
其中，根据CT技术成像原理，被测物质的密度越大，获取的扫描图像中相应位置处的亮度越亮；被测物质的密度越小，获取的扫描图像中相应位置处的亮度越暗。
示例性的，图8是图6中S332的检测结果图。以待检测电极碎片700为负极碎片701或正极碎片702，正极碎片702包括铝箔衬底，负极碎片701包括铜箔衬底为例。通过扫描图像反推电极材料，由于铜密度(7.8g/cm3)大于铝密度(2.7g/cm3)，因此，亮度明亮、发白的为铜箔衬底，即负极碎片701的扫描图像；而亮度较灰暗的则为铝箔衬底，即正极碎片702的扫描图像，两者灰阶度具有明显差异，肉眼可区分，从而可以直观将两种电极碎片区分出来。
同时，CT扫描也可直接获得待检测的电极碎片的衬底的的密度值，根据正极碎片的衬底的密度值和负极碎片的衬底的密度值的差异，可进一步精确区分出正极碎片和负极碎片。
S350、分别处理正极碎片以及负极碎片，回收正极材料、正极衬底金属、负极材料以及负极衬底金属。
可选的，继续参照图7，利用X射线照射电极混合碎片的同时还包括：在形成扫描图像的视场范围内，旋转待检测的电极混合碎片，以使检测器720可检测到足以表征待检测电极碎片特征的数据量，以便将正极碎片和负极碎片正确区分。
其中，电极混合碎片可以待检测电极碎片700表示。通过旋转待检测电极碎片700可获得表征待检测电极碎片的特征的准确信息，以准确区分正极碎片和负极碎片。
需要说明的是，待检测电极碎片的旋转轴方向与旋转角度均可根据锂电池回收方法中的检测需求设置，旋转轴方向可以为垂直于水平面的Z轴方向，也可以是水平面内的X方向或Y方向，本发明实施例对此不作限定。
可选的，图9是本发明实施例提供的又一种锂电池回收方法的流程示意图，是对锂电池回收方法的进一步细化。参照图9，该锂电池回收方法可包括：
S410、去除废弃锂电池的外壳，得到电池卷芯。
S420、破碎处理电池卷芯，得到电极混合碎片。
S430、烘干电极混合碎片。
其中，该步骤后可得到干燥的电极混合碎片，为后续检测做准备。
示例性的，可采用高温、通风或本领域技术人员可知的其他方式将电极混合碎片烘干，本发明实施例对此不作限定。
S440、检测电极混合碎片。
S450、根据检测结果将电极混合碎片中的正极碎片和负极碎片分离。
S460、分别处理正极碎片以及负极碎片，回收正极材料、正极衬底金属、负极材料以及负极衬底金属。
可选的，该步骤还可包括：采用干法高温热分解方法和/或湿法冶金方法，分别处理正极碎片以及负极碎片，回收正极材料、正极衬底金属、负极材料以及负极衬底金属。
其中，干法高温热分解可理解为，通过高温焚烧分解粘结剂，使材料实现分离，同时使其中的金属及其化合物发生氧化还原反应，以冷凝的形式回收低沸点的金属及其化合物，对炉渣中的金属采用筛分、热解、磁选等进行回收。该方法工艺简单，产物中副产物较少，即产物单一性较高。
其中，湿法冶金方法可理解为，采用合适的化学试剂选择性溶解电极碎片，再利用离子交换实现金属分离提取，逐步分离。该方法处理难度小，污染较小，且能耗较低。
将两种方法结合，可取其各自的优势，将正极和负极的组成材料回收的更彻底，锂电池资源化程度高。
可选的，继续参照图9，在S410之前还可包括S400。
S400、将废弃锂电池放电。
其中，废弃锂电池中通常残留部分电量，在S410之前需要将锂电池进行彻底放电，以避免残余电量集中释放大量热量而导致的安全隐患等不利影响。
示例性的，废弃锂电池的放电方式可为物理放电或化学放电，具体操作方法可为本领域技术人员可知的任一种或几种，本发明实施例对此不作限定。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种锂电池回收设备，该锂电池回收设备可用于执行上述实施方式提供的锂电池回收方法，该锂电池回收设备也具有上述实施方式提供的锂电池回收方法所具有的技术效果，可参照上文理解，下文中不再赘述。
示例性的，图10是本发明实施例提供的一种锂电池回收设备的结构示意图。参照图10，该锂电池回收设备50包括：外壳去除装置510，用于去除废弃锂电池的外壳，得到电池卷芯；破碎处理装置520，用于破碎处理电池卷芯，得到电极混合碎片；碎片检测装置530，用于检测电极混合碎片；碎片分离装置540，用于根据检测结果将电极混合碎片中的正极碎片和负极碎片分离；碎片处理装置550，用于分别处理正极碎片以及负极碎片，回收正极材料、正极衬底金属、负极材料以及负极衬底金属。
需要说明的是，图10中仅示例性的从功能性角度对电池回收设备50中的各个处理装置进行了划分，但并非对实际设备的组成部分的限定。在其他实施方式中，各组成部分还可集成设置或拆分设置，可根据锂电池回收设备50的实际需求设置，本发明实施例对此不作限定。此外，锂电池回收设备50还可包括本领域技术人员可知的其他处理装置，本发明实施例对此也不作限定。
本发明实施例提供的锂电池回收方法和设备，通过将电极混合碎片分离，以分别对正极碎片和负极碎片进行处理回收，可对锂电池的正极和负极组成材料进行有效分离并分别回收，有利于提高废旧锂电池的资源化程度。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种锂电池回收方法，其特征在于，包括：
去除废弃锂电池的外壳，得到电池卷芯；
破碎处理所述电池卷芯，得到电极混合碎片；
检测所述电极混合碎片；
根据检测结果将所述电极混合碎片中的正极碎片和负极碎片分离；
分别处理所述正极碎片以及所述负极碎片，回收正极材料、正极衬底金属、负极材料以及负极衬底金属。
2.根据权利要求1所述的锂电池回收方法，其特征在于，所述检测所述电极混合碎片包括：
采用X射线电子计算机断层扫描技术检测所述电极混合碎片。
3.根据权利要求2所述的锂电池回收方法，其特征在于，所述采用X射线电子计算机断层扫描技术检测所述电极混合碎片包括：
利用X射线照射所述电极混合碎片；
获取所述电极混合碎片的扫描图像和/或所述电极混合碎片的衬底的密度值。
4.根据权利要求3所述的锂电池回收方法，其特征在于，所述根据检测结果将所述电极混合碎片中的正极碎片和所述负极碎片分离包括：
根据所述电极混合碎片的扫描图像和/或所述电极混合碎片的衬底的密度值，确定所述电极混合碎片中的所述正极碎片以及所述负极碎片，并将所述正极碎片和所述负极碎片分离。
5.根据权利要求4所述的锂电池回收方法，其特征在于，所述根据所述电极混合碎片的扫描图像和/或所述电极混合碎片的衬底的密度值，确定所述电极混合碎片中的所述正极碎片以及所述负极碎片包括：
根据所述电极混合碎片的扫描图像中的所述电极混合碎片的亮暗度确定所述电极混合碎片中的所述正极碎片和所述负极碎片；其中，正极碎片对应的扫描图像的亮度大于负极碎片对应的扫描图像的亮度；
和/或，根据所述电极混合碎片的衬底的密度值，确定所述电极混合碎片中的所述正极碎片以及所述负极碎片；其中，所述正极碎片的衬底的密度值大于所述负极碎片的衬底的密度值。
6.根据权利要求3所述的锂电池回收方法，其特征在于，所述利用X射线照射所述电极混合碎片的同时还包括：
在形成所述扫描图像的视场范围内，旋转待检测的所述电极混合碎片。
7.根据权利要求1所述的锂电池回收方法，其特征在于，所述检测所述电极混合碎片之前还包括：
烘干所述电极混合碎片。
8.根据权利要求1所述的锂电池回收方法，其特征在于，分别处理所述正极碎片以及所述负极碎片，回收正极材料、正极衬底金属、负极材料以及负极衬底金属包括：
采用干法高温热分解方法和/或湿法冶金方法，分别处理所述正极碎片以及所述负极碎片，回收正极材料、正极衬底金属、负极材料以及负极衬底金属。
9.根据权利要求1所述的锂电池回收方法，其特征在于，所述去除废弃锂电池的外壳，得到电池卷芯之前还包括：
将所述废弃锂电池放电。
10.一种锂电池回收设备，其特征在于，包括：
外壳去除装置，用于去除废弃锂电池的外壳，得到电池卷芯；
破碎处理装置，用于破碎处理所述电池卷芯，得到电极混合碎片；
碎片检测装置，用于检测所述电极混合碎片；
碎片分离装置，用于根据检测结果将所述电极混合碎片中的正极碎片和负极碎片分离；
碎片处理装置，用于分别处理所述正极碎片以及所述负极碎片，回收正极材料、正极衬底金属、负极材料以及负极衬底金属。
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