CN112044807A - 一种锂电池电极分拣回收装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锂电池电极分拣回收装置，包括电极传送轨道、第一激光器、光电探测器、激光控制器、第二激光器、第三激光器、光路调整装置、光谱产生装置以及处理装置，第一激光器用于发出第一激光并照射待分拣电极，光电探测器用于产生触发信号；激光控制器用于根据所述触发信号产生第一控制信号和第二控制信号；第二激光器用于发出第二激光；第三激光器用于发出第三激光；光路调整装置用于合成合束激光脉冲后聚焦辐照至待分拣电极的表面；光谱产生装置用于产生所述等离子可见光信号的光谱；处理装置用于判断出所述待分拣电极的类型。本发明可快速对锂电池的正负电极进行分拣，并且对材料损伤较小。

Description

一种锂电池电极分拣回收装置
技术领域
本发明涉及新能源技术领域，特别涉及一种锂电池电极分拣回收装置。
背景技术
锂离子电池由于其本身所具有工作电压高、无记忆效应、自放电小等诸多优点，目前已广泛的应用于手机、笔记本电脑、摄像机等便携式设备中。锂离子电池内层主要由正极活性物质、负极活性物质、隔膜材料等组成。其中正极活性物质多为钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂等，负极活性材料多为嵌入金属锂的石墨、硬碳、软碳等。正负极活性材料通过粘结剂涂布在铝箔或铜箔集流体上组成电极。通常废旧锂离子电池中钴、锂、镍的比例分别为5％～15％、2％～7％、0.5％～2％，这些金属都是一次资源。除此之外，废旧锂电池中还含有铜、铝、铁等金属元素，都可以回收再利用。
目前锂离子电池回收主要包括电池外壳拆解回收、正负电极材料回收、电解液及隔膜回收。其中正负电极材料回收中正电极和负电极材料回收工艺不同，需单独进行正电极活性材料回收和负电极活性材料回收。常见的锂离子电池中，正极活性材料涂布在铝箔集流体上，负极活性材料涂布在铜箔集流体上。实际的废旧锂离子电池大规模回收时，电池外壳拆解后往往无法直接区分正负极材料，因此无法快速对正负电极分拣以进行后续的活性材料回收流程，直接影响大批量锂离子电池回收工艺的效率。
因而现有技术还有待改进和提高。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种锂电池电极分拣回收装置，可快速对锂电池的正负电极进行分拣，并且对材料损伤较小。
为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：
一种锂电池电极分拣回收装置，包括：
电极传送轨道，用于传送待分拣电极；
第一激光器，设置于所述电极传送轨道的一侧，用于发出第一激光并照射所述待分拣电极；
光电探测器，设置于所述电极传送轨道的一侧，用于在所述第一激光照射所述待分拣电极时产生触发信号；
激光控制器，与所述光电探测器电连接，用于根据所述触发信号产生第一控制信号和第二控制信号；
第二激光器，与所述激光控制器电连接，用于根据所述第一控制信号发出第二激光；
第三激光器，与所述激光控制器电连接，用于根据所述第二控制信号发出第三激光；
光路调整装置，设置在所述第二激光和第三激光的光路出口处，用于将第二激光和第三激光反射并合成合束激光脉冲后聚焦辐照至所述待分拣电极的表面，以使待分拣电极产生等离子体可见光信号；
光谱产生装置，设置在所述电极传送轨道的一侧，用于采集等离子体可见光信号并产生所述等离子可见光信号的光谱；
处理装置，与所述光谱产生装置电连接，用于分析所述等离子可见光信号的光谱，以判断出所述待分拣电极的类型。
相较于现有技术，本发明提供的锂电池分拣回收装置，通过脉冲激光照射待分拣电极，使待分拣电极产生等离子体，通过分析等离子体的光谱来判断待分拣电极的类型，由于脉冲激光的作用时间为纳秒级，所产生的等离子体持续时间为百纳秒级，因此一组合束脉冲激光单次辐照电极并产生光谱信号的时间极短。而常用的脉冲激光的作用频率通常可达百赫兹，因此采用本发明的锂电池电极分拣回收装置可实现非常快速的正负电极分拣。此外，产生等离子体的激光能量大于1010W/cm2,由于脉冲激光辐照作用的光斑大小可控，通常为微米量级，可准确辐照作用至面积较小的正负材料表面，可实现高准确率分拣的同时还最大程度的减少所回收材料的损伤。
附图说明
图1为本发明提供的锂电池电极分拣回收装置的一较佳实施例的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供一种锂电池电极分拣回收装置，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，本发明实施例提供的锂电池电极分拣回收装置，包括电极传送轨道1、第一激光器2、光电探测器3、激光控制器4、第二激光器5、第三激光器6、光路调整装置7、光谱产生装置8以及处理装置9，其中，
所述电机传送轨道1用于传送待分拣电极10，将拆解下的待分拣电极10有序的输出至对应的回收轨道中。
所述第一激光器2设置于所述电极传送轨道1的一侧，用于发出第一激光并照射所述待分拣电极10，使所述光电探测器3可以检测到光电信号后产生触发信号。具体的，所述第一激光器2为氦氖激光器，是一种气体激光器，通常在可见光频段工作。由于单色性好，相干长度可达数十米以致数百米。具有制造方便、便宜可靠、工作性质稳定、使用寿命长的优点。所述第一激光的波长为630nm。经过所述氦氖激光器光路产生触发信号，所述第一激光作用两下，第一下把待分拣电极10表面的有机物包裹烧点，第二下和第三激光组成双脉冲，且所述第一激光延时作用至待分拣电极10，确保单个待分拣电极仅被所述第一激光作用一次，避免产生误差。
所述光电探测器3设置于所述电极传送轨道1的一侧，用于在所述第一激光照射所述待分拣电极10时产生触发信号，当所述第一激光照射所述待分拣电极10时，所述光电探测器3可以检测到光电信号，从而产生触发信号，并将所述触发信号发送给所述激光控制器4，以使所述激光控制器4工作。
所述激光控制器4与所述光电探测器3电连接，用于接收所述光电探测器3发出的触发信号，并根据所述触发信号产生第一控制信号和第二控制信号，所述第一控制信号用于控制所述第二激光器5工作，所述第二控制信号用于控制所述第三激光器6工作。
所述第二激光器5与所述激光控制器4电连接，所述第二激光器5用于根据所述第一控制信号发出第二激光。其中，所述第二激光器5为二氧化碳激光器，所述二氧化碳激光器为脉冲激光器，脉冲频率为1～100HZ可调，且单脉冲最大激光能量不超过10焦耳。且为了使所述待分拣电极在收到辐照时可以产生等离子可见光信号，所述第二激光的波长为10.6μm，所述第二激光为一种强大的激光，肉眼不可见，可激发产生等离子。
所述第三激光器6与所述激光控制器4电连接，所述第三激光器6用于根据所述第二控制信号发出第三激光。其中，所述第三激光器6为Nd:YAG激光器，发出的激光也叫作雷射，当将待分拣电极10放在两个互相平行的反射镜时(其中一片100％反射，另一片50％透射镜)，就可构成的光学谐振腔，在这光学谐振腔内，非轴向传播的单色光谱被排出谐振腔外，即轴向传播的单色光谱在腔内往返传播，从而可以对所述待分拣电极10辐照产生等离子可见光信号。具体的，所述第三激光的波长为1064nm。
所述光路调整装置7设置在所述第二激光和第三激光的光路出口处，用于第二激光和第三激光反射并合成合束激光脉冲后聚焦辐照至所述待分拣电极10的表面，以使待分拣电极10产生等离子体可见光信号。具体的，本发明采用一组合束激光脉冲作用在待分拣电极10的表面，其中，所述第二激光和所述第三激光发射的间隔时间为500纳秒至100毫秒，故所述第三激光首先辐照到待分拣电极10的表面，烧蚀铝箔或铜箔集流体表面的活性材料，漏出集流体本体；第二激光随后聚焦辐照至集流体表面，与其作用并产生向外膨胀的等离子可见光信号，通过光谱分析即可判断出待分拣电极10的类型。
所述光谱产生装置8设置在所述电极传送轨道1的一侧，用于采集等离子体可见光信号并产生所述等离子可见光信号的光谱，然后将产生的光谱发送给处理装置9。
所述处理装置9与所述光谱产生装置8电连接，用于分析所述等离子可见光信号的光谱，以判断出所述待分拣电极10的类型。具体的，所述处理装置9可以直接为一计算机，由于铜原子明显的激发谱线为521.8nm和578.2nm，铝原子明显激发的谱线为396.15nm和394.4nm，所以根据产生的光谱的谱线数据可直接判断集流体本体材料为铜或者铝，如果为铜，则判断所述待分拣电极10为负极，如果为铝，则判断所述待分拣电极10为正极，从而使所述待分拣电极10回收至对应的回收轨道中。
本发明通过脉冲激光照射待分拣电极，使待分拣电极产生等离子体，通过分析等离子体的光谱来判断待分拣电极的类型，由于脉冲激光的作用时间为纳秒级，两束激光作用间隔通常为百纳秒至毫秒级，所产生的等离子体持续时间为百纳秒级，因此一组合束脉冲激光单次辐照电极并产生光谱信号的时间极短。而常用的脉冲激光的作用频率通常可达百赫兹，因此采用本发明的锂电池电极分拣回收装置可实现非常快速的正负电极分拣。此外，由于脉冲激光辐照作用的光斑大小可控，通常为微米量级，可准确辐照作用至面积较小的正负材料表面，可实现高准确率分拣的同时还最大程度的减少所回收材料的损伤。
请继续参阅图1，优选的实施例中，所述光路调整装置7包括反射镜71、半反半透镜72以及第一聚焦透镜73，所述反射镜71位于所述第二激光的光路出口处，并与所述第二激光的发射方向形成一夹角，从而改变第二激光的方向，所述半反半透镜72位于所述第三激光的光路出口处，并与所述反射镜71平行，所述第一聚焦透镜73位于所述半反半透镜72远离所述反射镜71的一侧，并用于将合束激光脉冲聚焦后辐照在所述待分拣电极10上。当将待分拣电极10放在两个互相平行的反射镜71和半法半透镜72的一侧时(其中一片100％反射，另一片50％透射镜)，就可构成的光学谐振腔，在这光学谐振腔内，非轴向传播的单色光谱被排出谐振腔外，即轴向传播的单色光谱在腔内往返传播，从而可以对所述待分拣电极10辐照产生等离子可见光信号。
具体的，激光控制器4触发二氧化碳激光器和Nd:YAG激光器工作，依次产生10.6um激光脉冲和1064nm激光脉冲，1064nm激光脉冲与10.6um激光脉冲间隔500纳秒至100毫秒，10.6um激光脉冲经反射镜71反射后，透过半反半透镜72，与经半反半透镜72反射的1064nm激光脉冲同轴，形成合束激光脉冲，最后经第一聚焦透镜73聚焦辐照至待分拣电极10的表面。此外，电机传送轨道1的速度可控，使此前经过第一激光照射的电极恰好被触发的合束激光脉冲聚焦辐照到。
请继续参阅图1，所述光谱产生装置8包括第二聚焦透镜81和光谱仪82，所述第二聚焦透镜81设置于所述电极传送轨道1的一侧并用于采集等离子体可见光信号，所述光谱仪82与所述第二聚焦透镜81连接并用于产生所述等离子体可见光信号的光谱，所述光谱仪82还与所述处理装置9电连接。具体实施时，与光谱仪81连接的第二聚焦透镜81实时采集待分拣电极10被激光脉冲辐照产生的等离子体可见光信号，然后由光谱仪82后直接接收后产生光谱并发送至所述处理装置9。
优选的实施例中，请继续参阅图1，所述锂电池电极分拣回收装置还包括分拣轨道11、驱动电机(图中未示出)、正极回收轨道(图中未示出)和负极回收轨道(图中未示出)，所述分拣轨道11设置于所述电极传送轨道1的末端并与所述电极传送轨道1转动连接，所述驱动电机与所述分拣轨道11连接并用于带动所述分拣轨道11转动，所述处理装置9与所述驱动电机电连接，所述处理装置9还用于发出驱动信号至所述驱动电机，以使驱动电机带动所述分拣轨道11转动至第一位置或第二位置，当所述分拣轨道11位于第一位置时，所述分拣轨道11与正极回收轨道连接，当所述分拣轨道11位于第二位置时，所述分拣轨道11与负极回收轨道连接。换而言之，为了增加回收的自动化程度，减少人工的操作，通过分拣轨道11来实现不同类型的电极的有序输出，具体的，当判断所述待分拣电极10为正极时，所述处理装置9驱动所述驱动电机动作，使所述驱动电机带动所述分拣轨道11转动至第一位置，从而让电极传送轨道1的待分拣电极10通过分拣轨道11传送至正极回收轨道中；当判断所述待分拣电极10为负极时，所述处理装置9驱动所述驱动电机动作，使所述驱动电机带动所述分拣轨道11转动至第二位置，从而让电极传送轨道1的待分拣电极10通过分拣轨道11传送至负极回收轨道中。
为了更好的理解本发明，以下结合图1来对本发明的分拣回收过程进行详细说明：
第一步：待分拣电极10放置于电极传送轨道1上，轨道向前输送电极；
第二步：待分拣电极经过氦氖激光器发出的第一激光照射，同时光电探测器3中产生触发信号，触发激光控制器4工作；
第三步：激光控制器4触发CO2激光器和Nd:YAG激光器工作，依次产生10.6um激光脉冲和1064nm激光脉冲，1064nm激光脉冲与10.6um激光脉冲间隔500纳秒至100毫秒，10.6um激光脉冲经反射镜71反射后，透过半反半透镜72，与经半反半透镜72反射的1064nm激光脉冲同轴，形成合束激光脉冲，最后经第一聚焦透镜73聚焦辐照至电极表面；
第四步：与光谱仪82连接的第二聚焦透镜81实时采集电极被激光脉冲辐照产生的等离子体可见光信号，处理装置9实时处理比对铜原子和铝原子谱线数据，判断当前电极集流体材料为正极或者负极；
第五步：处理装置9控制所述驱动电机动作，使所述分拣轨道11转动至第一位置或第二位置，从而将待分拣电极10输送至对应的回收轨道上以完成正负电极分拣。
综上所述，本发明提供的锂电池分拣回收装置，通过脉冲激光照射待分拣电极，使待分拣电极产生等离子体，通过分析等离子体的光谱来判断待分拣电极的类型，由于脉冲激光的作用时间为纳秒级，所产生的等离子体持续时间为百纳秒级，因此一组合束脉冲激光单次辐照电极并产生光谱信号的时间极短。而常用的脉冲激光的作用频率通常可达百赫兹，因此采用本发明的锂电池电极分拣回收装置可实现非常快速的正负电极分拣。此外，由于脉冲激光辐照作用的光斑大小可控，通常为微米量级，可准确辐照作用至面积较小的正负材料表面，可实现高准确率分拣的同时还最大程度的减少所回收材料的损伤。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种锂电池电极分拣回收装置，其特征在于，包括：
电极传送轨道，用于传送待分拣电极；
第一激光器，设置于所述电极传送轨道的一侧，用于发出第一激光并照射所述待分拣电极；
光电探测器，设置于所述电极传送轨道的一侧，用于在所述第一激光照射所述待分拣电极时产生触发信号；
激光控制器，与所述光电探测器电连接，用于根据所述触发信号产生第一控制信号和第二控制信号；
第二激光器，与所述激光控制器电连接，用于根据所述第一控制信号发出第二激光；
第三激光器，与所述激光控制器电连接，用于根据所述第二控制信号发出第三激光；
光路调整装置，设置在所述第二激光和第三激光的光路出口处，用于将第二激光和第三激光反射并合成合束激光脉冲后聚焦辐照至所述待分拣电极的表面，以使待分拣电极产生等离子体可见光信号；
光谱产生装置，设置在所述电极传送轨道的一侧，用于采集等离子体可见光信号并产生所述等离子可见光信号的光谱；
处理装置，与所述光谱产生装置电连接，用于分析所述等离子可见光信号的光谱，以判断出所述待分拣电极的类型。
2.根据权利要求1所述的锂电池电极分拣回收装置，其特征在于，所述光路调整装置包括反射镜、半反半透镜以及第一聚焦透镜，所述反射镜位于所述第二激光的光路出口处，并与所述第二激光的发射方向形成一夹角，所述半反半透镜位于所述第三激光的光路出口处，并与所述反射镜平行，所述第一聚焦透镜位于所述半反半透镜远离所述反射镜的一侧，并用于将合束激光脉冲聚焦后辐照在所述待分拣电极上。
3.根据权利要求1所述的锂电池电极分拣回收装置，其特征在于，所述光谱产生装置包括第二聚焦透镜和光谱仪，所述第二聚焦透镜设置于所述电极传送轨道的一侧并用于采集等离子体可见光信号，所述光谱仪与所述第二聚焦透镜连接并用于产生所述等离子体可见光信号的光谱，所述光谱仪还与所述处理装置电连接。
4.根据权利要求1所述的锂电池电极分拣回收装置，其特征在于，所述第一激光器为氦氖激光器，所述第二激光器为二氧化碳激光器，所述第三激光器为Nd:YAG激光器。
5.根据权利要求1所述的锂电池电极分拣回收装置，其特征在于，所述第一激光的波长为630nm。
6.根据权利要求1所述的锂电池电极分拣回收装置，其特征在于，所述第二激光的波长为10.6μm。
7.根据权利要求1所述的锂电池电极分拣回收装置，其特征在于，所述第三激光的波长为1064nm。
8.根据权利要求1所述的锂电池电极分拣回收装置，其特征在于，所述第二激光和所述第三激光发射的间隔时间为500纳秒至100毫秒。
9.根据权利要求1所述的锂电池电极分拣回收装置，其特征在于，所述第一聚焦透镜的焦距为100mm～500mm。
10.根据权利要求1所述的锂电池电极分拣回收装置，其特征在于，还包括分拣轨道、驱动电机、正极回收轨道和负极回收轨道，所述分拣轨道设置于所述电极传送轨道的末端并与所述电极传送轨道转动连接，所述驱动电机与所述分拣轨道连接并用于带动所述分拣轨道转动，所述处理装置与所述驱动电机电连接，所述处理装置还用于发出驱动信号至所述驱动电机，以使驱动电机带动所述分拣轨道转动至第一位置或第二位置，当所述分拣轨道位于第一位置时，所述分拣轨道与正极回收轨道连接，当所述分拣轨道位于第二位置时，所述分拣轨道与负极回收轨道连接。
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