CN111961860A - 一种超声波-微波辅助回收锂离子电池的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声波‑微波辅助回收锂离子电池的方法,属于废旧锂离子电池回收技术领域。将微波加热、超声波加热与回转式炉体相结合,利用物料优良的吸波性能,缩短物料的预处理时间,同时利用超声波的机械作用与空化作用,使酸浸、萃取过程中的微气核空化泡产生震动并且瞬间炸裂,加速了反应过程。一方面,微波预处理过程产生的余热可以为后续的酸浸与萃取过程提供反应条件,节约了生产成本,另一方面,回转式炉体配合炉腔内部的螺旋搅拌器使溶液产生纵横两个方向的运动,对容器中的液滴进行“切割”,增大了水相与有机相的有效接触面积,大大提高了萃取的效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声波-微波辅助回收锂离子电池的方法,属于废旧锂离子电池回收技术领域。
背景技术
锂离子电池作为21世纪的新能源新星受到了无数的追捧,构成其电极的材料中含有大量有毒电解质和镍钴锰等重金属。过去的几十年里,我们见证了无数个由任意填埋锂离子电池给生态环境造成的惨例,锂电所及之处“生灵涂炭”,同时有害物质进入水循环给我们的子孙后代带来无穷的危害,然而这种固废资源具有很高的潜在价值(如普通锂离子电池含有钴20%、铜10%、铝4.7%、铁2.5%和锂0.1%等),因此科学、高效、经济地回收废旧锂离子电池不仅能自然环境和人类健康带来好处,还能提高经济效益,缓解我国锂、钴和镍资源短缺的问题。
当锂离子电池的容量缩减到标称容量的80%以下时,锂电便不能给原设备提供充足的动力,此时往往会降级梯次利用,给次级设备提供能源。当无法梯次利用时,便需要进行电池的再生和提取回收。目前,电池再生技术不够成熟,没有进入大批量的产业化,有很多技术性的问题有待解决。而提取回收技术在近几年里得到了充分发展。提取回收锂离子电池通常包括几个步骤:放电,机械拆解,高温预处理以及提取过程。而高温预处理和提取过程无疑是回收工艺中最重要的两个环节,对有价金属的回收率和工艺的经济效益起着决定性的作用。对正极材料的提取回收过程主要分为火法与湿法两种。火法的特点是处理量大,能耗大,回收率低,并且往往忽略了对锂的回收。由于湿法回收在回收率与金属分离度方面具有明显的优势,因此目前采用最用的工艺仍是湿法。而湿法往往也存在处理周期长、生产成本高的问题。传统的酸浸、萃取工艺已经不能满足日益暴增的废旧锂离子电池的回收要求。
目前,有一些方法试图采用优化湿法设备和工艺流程来提高锂离子电池的回收效率,但是这些方法中存在以下缺点:(1)现有技术通过在浸出槽内安装纤毛状结构,在超声波的作用下纤毛抖动以此来“切割”溶液,强化浸出效率。此方法理论上可以在一定程度上增强溶液的混合效果,但实际上强化效果有限,且纤毛容易吸附溶液中的杂志,给仪器的清洗和维护带来不便。(2)现有技术通过电沉积的方法分离萃取后得到的有机相中的锰和钴,且萃取剂在使用多次后无法再次回收,造成浪费,此方法为工艺复杂,增添了电解槽,增加了生产成本,经济效益不高。
发明内容
1.要解决的技术问题
为了解决上述湿法过程周期长、工艺复杂、设备繁多的问题,本工艺提出了一种焙烧-酸浸-萃取一体化的方法和设备。通过竖直方向的回转与切线方向的搅拌提高物料的混合度,结合超声波的机械作用和空化作用使液体中的微气泡瞬间炸裂,溶液分子的布朗运动效果增加,增大了反应的有效接触面积,利用电池材料和水溶液优良的吸波性能缩短升温时间,同时预处理过程产生的余热可以直接提供给后续的酸浸与萃取过程,节约了能源。此外,本工艺考虑了萃取剂使用多次后的无法回收的问题,通过湿法-火法相结合的方法分离有机相中的钴和锰。本工艺强化了火法与湿法过程,缩短了工艺流程,提高了提取效率。
2.技术方案
为解决上述问题,本发明采用如下的技术方案。
一种超声波-微波辅助回收锂离子电池的方法,具体步骤如下:
(1)对废旧锂离子电池进行初步放电、深度放电使之达到可以安全拆解的条件;
(2)拆解锂离子电池得到电池外壳、集流体、隔膜以及电池电极等部件,剥离电池电极得到正极材料和负极材料;对正极材料进行破碎、筛分、球磨、再筛分等步骤得到用于回收的正极粉末;
(3)对正极粉末进行微波预处理,在超声波-微波回转炉中加入正极粉末并鼓入氧气一段时间后封闭炉体并开启微波发生器,在炉体旋转的条件下加热物料,使正极粉末中的有机物充分挥发;
(4)对正极粉末进行酸浸除杂,向回转反应罐内加入硫酸并开启发动机匀速旋转反应室,开启超声波发生装置对预处理后的正极粉末进行超声波辅助酸浸,通过调节微波输出功率控制酸浸温度,酸浸结束后向回转反应罐内加入NaOH溶液,调节体系PH进行沉淀除杂,将过滤膜铺入回转反应罐内,旋转反应室180°对溶液进行过滤;
(5)萃取分离,向回转反应罐内加入萃取剂并开启发动机匀速旋转反应室,开启超声波发生装置对溶液进行超声波辅助萃取,通过调节微波输出功率控制萃取温度,萃取结束后停止旋转并静置一段时间,开启反应室出料口Ⅰ进行水相-油相的分液步骤;
(6)锂镍分离,调节含有锂和镍的水相的PH值,加入NaOH沉淀并回收镍,等到氢氧化镍产品,再次调节溶液PH值并加入Na2CO3沉淀并回收锂,得到碳酸锂产品。
所述步骤(1)废旧锂离子电池的正极材料为镍钴锰酸锂电池,负极材料为石墨等碳质材料。
进一步的,对正极粉末进行微波预处理,在超声波-微波回转炉中加入正极粉末并鼓入氧气一段时间后封闭炉体并开启微波发生器,在炉体旋转的条件下加热物料,使正极粉末中的有机物充分挥发;所述超声波-微波回转设备包括微波炉体、回转反应罐以及超声波发生器,所述微波炉体整体为圆柱体,侧面两侧分别设有微波发生器,底部装有底座,所述微波炉体侧面分别设有微波炉门以及发动机接口和超声波发生器接口,所述回转反应罐平行置于微波炉体内部,与微波炉体相邻一侧到另一侧依次包括进料炉门,进料通道,支撑板,反应室,超声波发生器以及发动机,所述反应室侧面内壁设有均匀排列的螺旋搅拌器,螺旋搅拌器无动力装置但可以随物料流动产生横向搅动效果
进一步的,所述微波炉体的外壁为微波屏蔽材料,炉体内壁为石棉等保温材料,且微波炉体固定于底座上,不随反应室转动而转动,所述回转反应罐为刚玉等吸波材料,旋转速度和旋转角度由发动装置控制,侧面设有反应室出料口Ⅰ,出料时,将复位挂钩固定在回转反应罐进料口外壁上,使反应室出料口Ⅰ与微波炉出料口Ⅱ对齐,打开反应室出料口Ⅰ、微波炉出料口Ⅱ进行出料。
进一步的,所述微波炉门与炉体之间可以紧密闭合,防止微波泄露,所述进料通道穿过旋转轴承,旋转轴承与支撑板相连并固定在微波炉体内壁上,所述超声波发生器与内部装有电路的横向连接杆Ⅰ连接,所述发动机通过连接杆Ⅱ与齿轮Ⅰ固定连接,回转反应罐与套筒焊接连接,套筒与齿轮Ⅱ焊接连接,发动机转动带动齿轮Ⅰ、齿轮Ⅱ转动,齿轮转动带动套筒和回转反应罐转动,连杆Ⅰ穿过套筒和齿轮Ⅱ固定在微波炉体上。
进一步的,所述螺旋搅拌器包括搅拌杆、搅拌叶片、轴承。回转反应罐工作时,物料受到搅拌杆阻力而产生竖直方向的圆周运动,受到搅拌叶片的阻力产生圆周切线方向的运动,是体系混合力度增大,强化浸出与萃取过程。
所述步骤(3)焙烧预处理过程中微波发生器的输出功率为1000~1500W,超声波发生暂停工作,焙烧目标温度为300~450℃,焙烧时间为30~60min,焙烧结束后冷却物料至70~80℃,回转反应罐的旋转速度为3~10r/min。
所述步骤(4)酸浸过程中微波发生器的输出功率为300~800W,超声波发生器输出功率为100~150W,酸浸温度为70~80℃,酸浸时间为60~120min,回转反应罐的旋转速度为30~50r/min。
步骤(5)萃取过程中微波发生器的输出功率为300~800W,超声波发生器输出功率为100~150W,萃取温度为50~60℃,回转反应罐的旋转速度为20~40r/min,萃取剂为cyanex 272与石脑油的混合物。
进一步的,所述一种超声波-微波辅助回收锂离子电池的方法,其特征在于:萃取剂可以正常使用时,步骤(6)后还包括步骤(7)钴镍分离,对有机相(油相)进行反萃取,加入氨水络合钴离子,加入氧化剂氧化锰离子,静置过滤后得到二氧化锰产品,水浴加热钴氨络合物并加入氢氧化钠沉淀得到氢氧化钴产品;
进一步的,所述一种超声波-微波辅助回收锂离子电池的方法,其特征在于:萃取剂失效且无法回收再利用时,步骤(6)后还包括步骤(8)钴镍分离,将有机相和电池负极混合后加入回转反应罐并鼓入氮气进行还原焙烧,得到镍钴混合物,经过磁选分离得到钴单质和一氧化锰产品。
3.有益效果
相比于现有技术,本发明的优点在于:
(1)增强了体系的混合力度,加速了溶液分子的布朗运动,缩短了浸出-萃取时间。回转反应罐转动带动螺旋搅拌器产生竖直与切线两个方向的搅动,从而提高物料的混合度,结合超声波的机械作用和空化作用使液体中的微气泡瞬间炸裂,溶液分子的布朗运动效果增加,增大了反应的有效接触面积;
(2)基于锂离子电池正极材料与水溶液都具有优良的介电性能,采用微波加热技术对反应体系进行控温,微波加热技术具有均匀加热,高热效率、短加热时间等特点;
(3)本工艺涉及的反应设备中可以用于氧化焙烧、酸浸、萃取以及还原焙烧过程,使回收设备一体化,节约了生产成本和占地面积。焙烧预处理产生的余热可以提供给后续的酸浸、萃取过程,而还原焙烧产生的余热可以提供给后续的焙烧预处理过程,实现了能量的梯次利用,节约了生产成本。
(4)本工艺解决了萃取剂使用多次后的无法回收的问题,通过湿法-火法相结合的方法在高温下热解有机物使之产生还原性物质,以此来还原并分离有机相中的钴和锰,得到了市场价值更高的金属钴,既节约了设备成本,又提高了生产效益。
附图说明
图1为本发明工艺流程图;
图2为本发明超声波-微波回转炉的结构示意图;
图3为本发明超声波-微波回转炉的正面结构示意图;
图4为本发明超声波-微波回转炉的侧面结构示意图;
图5为本发明超声波-微波回转炉的炉门部位结构示意图;
图6为本发明螺旋搅拌器的结构示意图;
1-微波炉体,2-回转反应罐,3-超声发生器,4-微波发生器,5-微波炉体外壁,6-微波炉体内壁,7-微波炉门,8-反应室,9-反应室出料口Ⅰ,10-微波炉出料口Ⅱ,11-发动机,12-进料通道,13-支撑板,14-连接杆Ⅰ,15-套筒,16-齿轮Ⅱ,17-齿轮Ⅰ,18-轴承,19-搅拌杆,20-搅拌叶片,21-连接杆Ⅱ,22-复位挂钩,23-旋转轴承,24-螺旋搅拌器,25-底座,26-进料炉门。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明,但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1:
请参阅图1,一种超声波-微波辅助回收锂离子电池的方法,包括以下步骤:
S1、对废旧的锂离子电池进行初步放电、深度放电使之达到可以安全拆解的条件;
S2、拆解锂离子电池得到电池外壳、集流体、隔膜以及电池电极等部件,剥离电池电极得到正极材料和负极材料;对正极材料进行破碎、筛分、球磨、筛分等步骤得到用于回收的正极粉末;
S3、对正极粉末进行微波预处理,在超声波-微波回转设备中加入正极粉末并鼓入氧气一段时间后封闭炉体并开启微波发生器4,在炉体以10r/min的转速旋转的条件下加热物料,使正极粉末中的有机物充分挥发;焙烧预处理过程中微波发生器4的输出功率为1000W,超声波发生器3不工作,焙烧目标温度为350℃,焙烧时间为45min,焙烧结束后冷却物料至80℃;
S4、对正极粉末进行酸浸除杂,向回转反应罐2内加入硫酸并以40r/min的旋转速度运行回转反应罐2,开启超声波发生器3对预处理后的正极粉末进行超声波辅助酸浸,超声发生器3功率为150W,通过调节微波输出功率来控制酸浸温度,微波输出功率到700W,酸浸温度为75℃,酸浸时间为90min,酸浸结束后向回转反应罐2内加入NaOH溶液,调节体系PH进行沉淀除杂,将过滤膜铺入回转反应罐2内,旋转反应室8 180°对溶液进行过滤;
S5、萃取分离,向回转反应罐2内加入萃取剂cyanex 272与石脑油的混合物并以40r/min的旋转速度运行反应室8,开启超声波发生器3对溶液进行超声波辅助萃取,超声发生器3功率为150W,通过调节微波输出功率控制萃取温度,微波输出功率到800W,萃取温度为60℃,萃取结束后停止旋转并静置一段时间,开启反应室出料口Ⅰ9进行水相-油相的分液步骤;
S6、锂镍分离,调节含有锂和镍的水相的PH值,加入NaOH沉淀并回收镍,等到氢氧化镍产品,再次调节溶液PH值并加入Na2CO3沉淀并回收锂,得到碳酸锂产品。
S1、钴镍分离,对有机相(油相)进行反萃取,加入氨水络合钴离子,加入氧化剂氧化锰离子,静置过滤后得到二氧化锰产品,水浴加热钴氨络合物并加入氢氧化钠沉淀得到氢氧化钴产品;
S7、当萃取剂在循环使用数次后无法回收再利用时,将有机相和电池负极混合后加入回转反应罐2并鼓入氮气进行还原焙烧,得到镍钴混合物,经过磁选分离得到钴单质和一氧化锰产品。
请参阅图2,超声波-微波回转设备包括微波炉体1、回转反应罐2以及超声波发生器3,所述微波炉体1整体为圆柱体,侧面两侧分别设有微波发生器4,底部装有底座25,所述微波炉体1侧面分别设有微波炉门7以及发动机11接口和超声波发生器3接口,所述回转反应罐2平行置于微波炉体1内部,与微波炉体相邻一侧到另一侧依次包括进料炉门26,进料通道12,支撑板13,反应室8,超声波发生器3以及发动机11,所述反应室侧面内壁设有均匀排列的螺旋搅拌器24,螺旋搅拌器24无动力装置但可以随物料流动产生横向搅动效果
请参阅图3,所述微波炉体外壁5为微波屏蔽材料,微波炉体内壁6为石棉等保温材料,且微波炉体固定于底座25上,不随反应室8转动而转动,所述回转反应罐2为刚玉等吸波材料,旋转速度和旋转角度由发动装置控制,侧面设有反应室出料口Ⅰ9,出料时,将复位挂钩22固定在回转反应罐2进料口外壁上,使反应室出料口Ⅰ9与微波炉出料口Ⅱ10对齐,打开反应室出料口Ⅰ9、微波炉出料口Ⅱ10进行出料。
请参阅图4,所述微波炉门7与炉体11之间可以紧密闭合,防止微波泄露,所述进料通道12穿过旋转轴承23,旋转轴承23与支撑板13相连并固定在微波炉体内壁6上,所述超声波发生器3与内部装有电路的横向连接杆Ⅰ14连接,所述发动机11通过连接杆Ⅱ21与齿轮Ⅰ17固定连接,回转反应罐2与套筒15焊接连接,套筒15与齿轮Ⅱ16焊接连接,发动机11转动带动齿轮Ⅰ17、齿轮Ⅱ16转动,齿轮转动带动套筒15和回转反应罐2转动,连杆Ⅰ14穿过套筒15和齿轮Ⅱ16固定在微波炉体1上。
请参阅图5,螺旋搅拌器包括搅拌杆19、搅拌叶片20、轴承18。回转反应罐工作时,物料受到搅拌杆19阻力而产生竖直方向的圆周运动,受到搅拌叶片20的阻力产生圆周切线方向的运动,是体系混合力度增大,强化浸出与萃取过程。
以上是对本发明的具体实施方式作了详细说明,但是本发明并不限于上述实施方式,在本领域普通技术人员所具备的知识范围内,还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (8)
1.一种超声波-微波辅助回收锂离子电池的方法,其特征在于,具体步骤如下:
(1)对废旧的锂离子电池进行初步放电、深度放电使之达到可以安全拆解的条件;
(2)拆解锂离子电池得到电池外壳、集流体、隔膜以及电池电极等部件,剥离电池电极得到正极材料和负极材料;对正极材料进行破碎、筛分、球磨、再筛分等步骤得到用于回收的正极粉末;
(3)对正极粉末进行微波预处理,在超声波-微波回转炉中加入正极粉末并鼓入氧气一段时间后封闭炉体并开启微波发生器(4),在炉体旋转的条件下加热物料,使正极粉末中的有机物充分挥发;所述超声波-微波回转设备包括微波炉体(1)、回转反应罐(2)以及超声波发生器(3),所述微波炉体(1)整体为圆柱体,侧面两侧分别设有微波发生器(4),底部装有底座(25),所述微波炉体(1)侧面分别设有微波炉门(7)以及发动机(11)接口和超声波发生器(3)接口,所述回转反应罐(2)平行置于微波炉体(1)内部,与微波炉体(1)相邻一侧到另一侧依次包括进料炉门(26),进料通道(12),支撑板(13),反应室(8),超声波发生器(3)以及发动机(11),所述反应室侧面内壁设有均匀排列的螺旋搅拌器(24),螺旋搅拌器(242)无动力装置但可以随物料流动产生横向搅动效果;
(4)对正极粉末进行酸浸除杂,向回转反应罐(2)内加入硫酸并开启发动机(11)带动反应室(8)匀速旋转,开启超声波发生装置对预处理后的正极粉末进行超声波辅助酸浸,通过调节微波输出功率控制酸浸温度,酸浸结束后向回转反应罐(2)内加入NaOH溶液,调节体系PH进行沉淀除杂,将过滤膜铺入回转反应罐内(2),旋转反应室(8)180°对溶液进行过滤;
(5)萃取分离,向回转反应罐(2)内加入萃取剂并开启发动机(11)匀速旋转反应室(8),开启超声波发生装置对溶液进行超声波辅助萃取,通过调节微波输出功率控制萃取温度,萃取结束后停止旋转并静置一段时间,开启反应室出料口Ⅰ(9)进行水相-油相的分液步骤;
(6)锂镍分离,调节含有锂和镍的水相的PH值,加入NaOH沉淀并回收镍,等到氢氧化镍产品,再次调节溶液PH值并加入Na2CO3沉淀并回收锂,得到碳酸锂产品。
2.根据权利要求1所述的一种超声波-微波辅助回收锂离子电池的方法,其特征在于:所述微波炉体外壁(5)为微波屏蔽材料,微波炉体内壁(6)为石棉等保温材料,且微波炉体(1)固定于底座(25)上,不随反应室(8)转动而转动,所述回转反应罐(2)材质为刚玉等吸波材料,旋转速度和旋转角度由发动装置控制,侧面设有反应室出料口Ⅰ(9),出料时,将复位挂钩(22)固定在回转反应罐(2)进料口外壁上,使反应室出料口Ⅰ(9)与微波炉出料口Ⅱ(10)对齐,打开反应室出料口Ⅰ(9)、微波炉出料口Ⅱ(10)进行出料。
3.根据权利要求1所述的一种超声波-微波辅助回收锂离子电池的方法,其特征在于:所述微波炉门(7)与微波炉体(1)之间可以紧密闭合,防止微波泄露,所述进料通道(12)穿过旋转轴承(23),旋转轴承(23)与支撑板(13)相连并固定在微波炉体内壁(6)上,所述超声波发生器(3)与内部装有电路的横向连接杆Ⅰ(14)连接,所述发动机(11)通过连接杆Ⅱ(21)与齿轮Ⅰ(17)固定连接,回转反应罐(2)与套筒(15)焊接连接,套筒(15)与齿轮Ⅱ(16)焊接连接,发动机(11)转动带动齿轮Ⅰ(17)、齿轮Ⅱ(16)转动,齿轮转动带动套筒(15)和回转反应罐(2)转动,连杆Ⅰ(14)穿过套筒(15)和齿轮Ⅱ(16)固定在微波炉体(1)上。
4.根据权利要求1所述的一种超声波-微波辅助回收锂离子电池的方法,其特征在于:所述螺旋搅拌器(24)包括搅拌杆(19)、搅拌叶片(20)、轴承(18)。回转反应罐(2)工作时,物料受到搅拌杆(19)阻力而产生竖直方向的圆周运动,受到搅拌叶片(20)的阻力产生圆周切线方向的运动,使体系混合力度增大,强化浸出与萃取过程。
5.根据权利要求1所述的一种超声波-微波辅助回收锂离子电池的方法,其特征在于:步骤(3)焙烧预处理过程中微波发生器(4)的输出功率为1000~1500W,超声波发生暂停工作,焙烧目标温度为300~450℃,焙烧时间为30~60min,焙烧结束后冷却物料至70~80℃,回转反应罐(2)的旋转速度为3~10r/min。
6.根据权利要求1所述的一种超声波-微波辅助回收锂离子电池的方法,其特征在于:步骤(4)酸浸过程中微波发生器(4)的输出功率为300~800W,超声波发生器(3)输出功率为100~150W,酸浸温度为70~80℃,酸浸时间为60~120min,回转反应罐(2)的旋转速度为30~50r/min。
7.根据权利要求1所述的一种超声波-微波辅助回收锂离子电池的方法,其特征在于:步骤(5)萃取过程中微波发生器(4)的输出功率为300~800W,超声波发生器(3)输出功率为100~150W,萃取温度为50~60℃,回转反应罐(2)的旋转速度为20~40r/min,萃取剂为cyanex 272与石脑油的混合物。
8.根据权利要求1所述的一种超声波-微波辅助回收锂离子电池的方法,其特征在于:萃取剂可以正常使用时,步骤(6)后还包括步骤(7)钴镍分离,对有机相(油相)进行反萃取,加入氨水络合钴离子,加入氧化剂氧化锰离子,静置过滤后得到二氧化锰产品,水浴加热钴氨络合物并加入氢氧化钠沉淀得到氢氧化钴产品;萃取剂失效且无法回收再利用时,步骤(6)后还包括步骤(8)钴镍分离,将有机相和电池负极混合后加入回转反应罐(2)并鼓入氮气进行还原焙烧,得到镍钴混合物,经过磁选分离得到钴单质和一氧化锰产品。
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