CN112366379A - 一种用于电池拆解后极片的安全环保处理系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于电池拆解后极片的安全环保处理系统及方法,包括依次连接的极片处理舱、喷淋塔、气液分离器和催化燃烧室,所述极片处理舱包括反应器和设置在反应器内的分隔筛,所述反应器底部设有出液口,所述反应器顶部通过主管道与喷淋塔连接。本发明具有如下有益效果:(1)针对拆解后电池产生的负极片及时有效的处理,降低其可能反应造成失控的风险;(2)可以用来解决满电态,析锂等状态下的负极片的处理,避免可能在处理过程中带来的安全风险;(3)实现负极片铜箔以及碳粉分离回收;(4)实现对含HF等有害气体的净化排放;(5)处理大量不同规格的电芯拆解产生的负极片。

Description

一种用于电池拆解后极片的安全环保处理系统及方法
技术领域
本发明涉及极片回收处理技术领域,尤其是涉及一种用于电池拆解后极片的安全环保处理系统及方法。
背景技术
废旧锂离子电池的回收利用一直是近年来关注的焦点,通常先将锂离子电池拆解后,再分别对正、负极片、电解液以及隔膜进行回收处理。其中,负极片中包括铜箔和石墨,现有技术通常通过固态粉碎的方式分离铜和碳粉,而电池拆解后会产生满电状态的负极片,由于其氧化活性高,易于空气中水分发生反应,如果极片上有析锂现象发生则危险性更高,不便于回收处理;同时,反应中产生的各种废气也难以净化处理。
例如,一件在中国专利文献上公开的“一种废旧锂电池的负极材料的湿法回收工艺”,其公开号CN108110365A,包括以下步骤:1)将废旧锂电池进行放电处理;2)对放电处理后的废旧锂电池进行拆解处理,将成卷的锂电池负极材料拆解展开成条状覆碳铜箔;3)将拆解得来的覆碳铜箔浸泡于温控水洗池中,得到碳粉、粘结剂和水的固液混合体系;4)碳粉的回收。该发明中要求电池电压需要放电到2.0V,电池拆解后会产生满电状态的负极片,由于其氧化活性高,易于空气中水分发生反应,如果有析锂现象发生危险性更高,不便于回收处理。
另一件公开号为CN205760465U的实用新型专利公开了一种锂电池电解液溶剂纯化柱尾气处理装置,包括第一冷凝器、第二冷凝器和活性炭吸附柱,第一冷凝器和第二冷凝器两者结构相同且均包括自上而下分隔而成的布气室、换热腔和集液室,换热腔内设有换热管束,布气室内的气体进入各换热管并在换热腔内与管外的冷却液进行换热并冷凝,各换热管内的冷凝液流入所述集液室,所述布气室的顶部设有进气口,换热腔的下部和上部分别设有冷却液进口和冷却液出口,集液室的底部和上部分别设有排液口和排气口,所述纯化柱排出的尾气依次经第一冷凝器、第二冷凝器和活性炭吸附柱处理后排放。该实用新型采用的是活性炭直接吸附有机废气,小分子的吸附效果有限,长时间活性炭失活需要频繁更换。
发明内容
本发明是为了克服现有技术的负极片处理过程中活性物质失控风险高,废气净化处理效果有限的问题,提供一种用于电池拆解后极片的安全环保处理系统及方法,及时有效回收处理负极片,避免安全风险,有效净化废气。
为了实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种用于电池拆解后极片的安全环保处理系统,包括依次连接的极片处理舱、喷淋塔、气液分离器和催化燃烧室,所述极片处理舱包括反应器和设置在反应器内的分隔筛,所述反应器底部设有出液口,所述反应器顶部通过主管道与喷淋塔连接。
本发明的特点在于通过设置极片处理舱有效分离负极片的铜箔和活性物质,在极片处理舱的反应器中灌注酸性溶液或碱性溶液,负极片上的活性物质(主要是石墨和锂盐)与溶液反应后从铜箔上脱落,沉降至分隔筛下方,反应完成后,通过出液口排出溶液,而铜箔则保留在分隔筛上方,便于回收。而负极片与溶液反应产生的烟气如LiF、PF5,以及电解液中易挥发的EC、DMC、DEC等有机气体则通过反应器顶部的主管道进入喷淋塔后可以实现较大颗粒洗涤沉降,部分气体如HF可以实现与喷淋的酸性或者碱性溶液的反应而沉降下来,经过气液分离器,有机相的气体在此与液相分离通过有机相出口排入有机相收集,由于喷淋塔中带出的水相可通过水相出口收集,以免影响后续催化燃烧效果,催化燃烧后的未完成反应氧化的气体或者有机物会氧化并燃烧分解为CO2和水。
作为优选,还包括与催化燃烧室连接的活性炭吸附舱。
经过催化燃烧后的废气进入活性炭吸附舱,少量未处理的有机废气通过此舱,由于活性炭表面与有机废气分子间相互引力的作用产生物理吸附(又称范德华吸附),活性炭具有疏水性,对有机溶剂分子有较高的吸附效率。与直接用活性炭吸附废气的方法相比,经催化燃烧的废气汇总有机相气体较少,活性炭的利用率将大大提高,且无需频繁更换。
作为优选,还包括与活性炭吸附舱连接的气体检测仪。
废气经过处理后通过VOCs 、CO2系统的实时检测,采用VOCs、CO2传感器监测气体浓度的变化,一旦发现烟气的有机气体的浓度偏高及时采取必要措施,保证排放的废气符合排放的要求。
一种用于电池拆解后极片的安全环保处理方法,包括如下步骤:
S1、将极片投入反应器内的分隔筛上方,极片与反应器内的酸性或碱性溶液反应;
S2、喷淋塔采用碱性溶液喷淋由S1产生的烟气;
S3、经过气液分离器后,对未完成氧化的气体和有机物进行催化燃烧。
本发明还公开了一种用于电池拆解后极片的安全环保处理方法,由于极片被电解液浸润,电解液中有机相溶剂如EC、DMC和DEC等废气容易挥发,处理过程中也有电解液参与反应,相关反应式如下:
2Li+6C+H20→LiC6+LiOH+1/2H2
LiPF6+H20→LiF+P0F3+2HF
LiPF6→LiF+PF5
PF5+H20→POF3+2HF
LiOH+HF→LIF+H2O
高活性的极片中的粘接剂也会与活性Li 发生,引发粘结剂的失效,产生的热量有加速了活性材料与箔材分离脱落,以含氟的粘接剂为例反应如下:
-CH2-CF2-+Li→LIF+-CH=CF-+1/2H2↑。
作为优选,还包括步骤:S4、经步骤S3催化燃烧后的烟气经活性炭吸附舱进行吸附处理。
作为优选,还包括步骤:S5、经步骤S4吸附后的气体通过气体检测仪进行VOC和CO2检测。
作为优选,所述步骤S1还包括,通过注入弱酸或弱碱溶液调节反应PH值。
通过加入例如NH4Cl 或者NaHCO3 等达到调节反应PH作用,反应表达式为:
LiOH+NH4Cl→LiCl+NH3+H2O
LiOH+NaHCO3→LI2CO3+Na2CO3+H2O。
作为优选,所述步骤S2中,碱性溶液从上而下喷淋,与从下而上的烟气逆流接触。
塔釜通过循环泵送至塔内喷淋系统,喷淋塔4中采用PH为8~10的碱性溶液自上而下进行喷淋。与从下而上的烟气(LiF、PF5和部分EC、DMC、DEC等有机气体)逆向对流充分接触,完成传热、传质及酸气的吸收过程,达到净化烟气的目的。逆流接触,延长液滴在吸收区的停留时间,加强了烟气与吸收剂的充分接触,提高了效率。
因此,本发明具有如下有益效果:(1)针对拆解后电池产生的负极片及时有效的处理,降低其可能反应造成失控的风险;(2)可以用来解决满电态,析锂等状态下的负极片的处理,避免可能在处理过程中带来的安全风险;(3)实现负极片铜箔以及碳粉分离回收;(4)实现对含HF 等有害气体的净化排放;(5)处理大量不同规格的电芯拆解产生的负极片。
附图说明
图1是本发明的一种结构示意图。
图2是本发明极片处理舱的一种结构示意图。
图中:1、极片处理舱,11、反应器,12、分隔筛,13、投料口,14、出料口,15、出液口,16、主管道,161、气动调节阀,2、喷淋塔,3、气液分离器,31、水相出口,32、有机相出口,4、催化燃烧室,5、活性炭吸附舱,6、气体检测仪,7、离型风机。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。
实施例1
如图1所示的实施例1中,一种用于电池拆解后极片的安全环保处理系统,包括依次连接的极片处理舱1、喷淋塔2、气液分离器3、催化燃烧室4、活性炭吸附舱5、气体检测仪6和离心风机7。极片处理舱1包括反应器11和设置在反应器11内的分隔筛12,分隔筛12为2目,极片处理舱1上设有与反应器11连通的投料口13和出料口14,反应器11底部设有出液口15,反应器11顶部通过主管道16与喷淋塔2顶部连接,主管道16上设有气动调节阀161,主管道采用直径200mm的SU304不锈钢材质。喷淋塔2采用填料塔喷淋,主要含塔釜、喷淋段、除雾段。塔釜通过循环泵送至塔内喷淋系统。喷淋塔内设置碱液罐储存有碱性溶液,通过管道泵送入喷淋塔中,喷淋塔中碱性溶液被喷嘴雾化为1~3mm液滴,全面覆盖整个塔体截面(覆盖率>150%)。气液分离器3上设有水相出口31和有机相出口32。催化燃烧室4温度设定280-300℃。活性炭采用高活性的颗粒活性炭,点值要求600点及以上。气体检测仪6采用VOC、CO2检测仪。离心风机7为耐腐蚀离心风机,通过综合分析极片处理舱大小以及管道设计需要,选择一定流量的离心风机引风,风机流量选择2000m3/h~2500 m3/h, 风机功率为3~3.5kw, 材质为玻璃钢。
实施例2
一种用于电池拆解后极片的安全环保处理方法,利用实施例1所述的装置,包括如下步骤:
S1、反应器11内灌注酸性溶液或碱性溶液,将拆解后的负极片通过投料口13投入反应器内11的分隔筛12上方,极片与反应器11内的酸性或碱性溶液反应,由于极片被电解液浸润,电解液中有机相溶剂如EC、DMC和DEC等废气容易挥发,处理过程中也有电解液参与反应,相关反应式如下:
2Li+6C+H20→LiC6+LiOH+1/2H2
LiPF6+H20→LiF+P0F3+2HF
LiPF6→LiF+PF5
PF5+H20→POF3+2HF
LiOH+HF→LIF+H2O
高活性的极片中的粘接剂也会与活性Li 发生,引发粘结剂的失效,产生的热量有加速了活性材料与箔材分离脱落,以含氟的粘接剂为例反应如下:
-CH2-CF2-+Li→LIF+-CH=CF-+1/2H2
极片经与溶液反应后达到分离效果,箔材保留在隔离筛上部,反应后脱落的活性材料,主要以石墨以及锂盐为主,沉降到隔离筛下方,经反应后的浆液经出液口流出;反应一段时间后,活性性质从箔材脱离,将箔材从出料口取出,另可通过出料口加入例如NH4Cl 或者NaHCO3 等达到调节反应PH作用,反应表达式为:
LiOH+NH4Cl→LiCl+NH3+H2O
LiOH+NaHCO3→LI2CO3+Na2CO3+H2O;
S2、根据极片的量和产气量,控制气动调节阀161开关,让废气沿主管道16进入喷淋塔2中,喷淋塔2中采用PH为8~10的碱性溶液自上而下进行喷淋。喷淋塔2内设置碱液罐储存有碱性溶液,通过管道泵送入喷淋塔2中,可与废气中的HF与碱溶液化学反应生成碱性氟化物,喷淋塔中碱性溶液被喷嘴雾化为1~3mm液滴,与从下而上的烟气(LiF、PF5和部分EC、DMC、DEC等有机气体)逆向对流充分接触,完成传热、传质及酸气的吸收过程,达到净化烟气的目的。逆流接触,延长液滴在吸收区的停留时间,加强了烟气与吸收剂的充分接触,提高了效率。吸收段除喷嘴外无其他设备,减少了结垢、堵塞、磨损的几率,提高了设备的可用率,减少了检修工作量。塔内阻力低,风机能耗低;
S3、经过气液分离器3后,有机相的气体,如LiF、PF5和部分EC、DMC、DEC等在此与液相分离通过有机相出口32排出后收集,喷淋塔中带出的水相可通过水相出口31收集,以免影响后续催化燃烧以及活性炭吸附效果,在催化燃烧室4对未完成氧化的气体和有机物进行催化燃烧,通过催化剂作用,燃烧室温度设定280-300℃,将废气中有机类气体催化分解为CO2和水;
S4、废气进入活性炭吸附舱5,少量未处理的有机废气通过此舱,由于活性炭表面与有机废气分子间相互引力的作用产生物理吸附,活性炭具有疏水性,对有机溶剂分子有较高的吸附效率。活性炭采用高活性的颗粒活性炭。经催化燃烧的废气汇总有机相气体较少,活性炭的利用率将大大提高;
S5、经步骤S4吸附后的气体废气通过VOCs 、CO2系统的实时检测,采用VOCs及CO2传感器监测气体浓度的变化,一旦发现烟气的有机气体的浓度偏高及时采取必要措施,保证排放的废气符合排放的要求。最后通过离心风机7抽气通过烟气排放塔排出。

Claims (8)

1.一种用于电池拆解后极片的安全环保处理系统,其特征是,包括依次连接的极片处理舱(1)、喷淋塔(2)、气液分离器(3)和催化燃烧室(4),所述极片处理舱(1)包括反应器(11)和设置在反应器(11)内的分隔筛(12),所述反应器(11)底部设有出液口(15),所述反应器(11)顶部通过主管道(16)与喷淋塔(2)连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于电池拆解后极片的安全环保处理系统,其特征是,还包括与催化燃烧室(4)连接的活性炭吸附舱(5)。
3.根据权利要求2所述的一种用于电池拆解后极片的安全环保处理系统,其特征是,还包括与活性炭吸附舱(5)连接的气体检测仪(6)。
4.一种根据权利要求1或2或3所述的用于电池拆解后极片的安全环保处理方法,其特征是,包括如下步骤:
S1、将极片投入反应器内(11)的分隔筛(12)上方,极片与反应器(11)内的酸性或碱性溶液反应;
S2、喷淋塔(2)采用碱性溶液喷淋由S1产生的烟气;
S3、经过气液分离器(3)后,对未完成氧化的气体和有机物进行催化燃烧。
5.根据权利要求4所述的一种用于电池拆解后极片的安全环保处理方法,其特征是,还包括步骤:S4、经步骤S3催化燃烧后的烟气经活性炭吸附舱(5)进行吸附处理。
6.根据权利要求5所述的一种用于电池拆解后极片的安全环保处理方法,其特征是,还包括步骤:S5、经步骤S4吸附后的气体通过气体检测仪(6)进行VOC和CO2检测。
7.根据权利要求4所述的一种锂离子电池组电解液泄漏检测方法,其特征是,所述步骤S1还包括,通过注入弱酸或弱碱溶液调节反应PH值。
8.根据权利要求4所述的一种锂离子电池组电解液泄漏检测方法,其特征是,所述步骤S2中,碱性溶液从上而下喷淋,与从下而上的烟气逆流接触。
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