CN112607723B - 一种含铝的锂离子电池正极边角料的回收方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种含铝的锂离子电池正极边角料的回收方法。所述方法包括如下步骤：在待处理的含铝的锂离子电池正极边角料中加入氟化剂后，高温处理使所述待处理的含铝的锂离子电池正极边角料中的铝氟化，得到能够用于制备锂离子电池的正极材料。该方法具有工艺简单、操作便捷、不使用酸碱和有机溶剂、对环境无污染等优点，尤其适合规模化量产，具有很好的应用前景。

Description

一种含铝的锂离子电池正极边角料的回收方法
技术领域
本发明涉及能源材料技术领域，具体涉及一种含铝的锂离子电池正极边角料的回收方法，该方法尤其适合于规模化量产。
背景技术
随着科技发展，人们在寻找着化石燃料的替代品，新能源产业得到蓬勃发展，锂离子电池作为新能源产业的代表也应运而生。锂离子电池具有能量密度高、质量轻、工作电压高、无记忆效应、循环寿命长等优点，被广泛用作各种移动设备的电源。随着近年新能源的发展热潮，加之政策引导，锂电池作为领头羊，技术与市场都得到了长足的发展，产业规模快速扩大，锂离子电池产量激增。正极材料作为锂离子电池的核心组成部分，其消耗和产能也在随之增加，生产正极的过程中也产生了越来越多的边角料。这些边角料由于尚未使用过，活性物质的活性仍在，其中活性材料含量超过80％，若不加以回收利用，势必造成资源的浪费。
申请号为201610425057.5的中国专利公开了一种电池正极边角料材料分离方法，以低温热解的原理破坏粘结剂，分离正极材料与铝。该工艺主要步骤如下：①粉碎：将锂离子边角料充分粉碎，使其粒度为0.1～1.5mm；②煅烧：将粉碎后的边角料升温到450～650℃，并保持90～150min；③筛分：煅烧完成后冷却，筛分，得到收集于筛网之下的正极材料粉末与留在筛网之上的铝粒；④碱洗：将正极材料粉末用浓度为1.0～8.0mol/L的碱性溶液洗涤，静置分层，倾滗上层液体及漂浮物，得到底部浆料；⑤过滤洗涤干燥：将底部浆料过滤，洗涤滤饼，干燥即得正极材料；该方法在分离过程中需用到碱溶液以及水洗的过程，成本较高且会产生大量的废水，不利于规模化生产。
申请号为200410019542.X的中国专利公开了一种锂离子二次电池正极残料的回收方法，采用低温热处理方法除去粘结剂，分离正极材料与铝集流体，该工艺主要包括：①将边角料在空气中热处理，目的是热解粘结剂；②将上一步骤中的正极片用机械方法将铝箔基体与正极材料脱离，或将正极片放在水中，利用超声震荡或机械搅拌将正极材料与铝箔基体脱离，并将得到的正极材料干燥；③研磨，过38.5μm筛后得到正极材料；④通过高温(650℃～850℃)焙烧除去正极材料中的碳黑。该方法中的前段工艺所采用的热处理方法是通用的方式，简便易行，但步骤①中所用焙烧法只适合镍钴锰酸锂，钴酸锂或NCM等，处理磷酸铁锂或者磷酸锰铁锂时会使活性物质被氧化，结构被破坏。
申请号为03129972.5的中国专利公开了一种锂离子二次电池正极边角料及残料的回收方法，包括以下步骤：①常温下将正极边角料及残片用机械方法破碎；②在加热控温140-150℃的条件下将破碎后的残片放入有机溶剂中进行机械搅拌或用超声波震荡的方法将正极中的活性物质取下；③将取下的活性物质用水洗涤,除去部分水溶性黏合剂及添加剂，分离得到活性物质，在空气中烘干干燥；④用浮选或筛选的方法，进一步除去正极活性物质中的添加剂；⑤过38.5μm筛后的活性物质在空气氛或氧气氛中经750-850℃下煅烧6h即得可再利用的正极材料；但该方法需使用有机溶剂，污染大、成本高、效率低且会严重损害生产人员的健康。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种含铝的锂离子电池正极边角料的回收方法，该方法具有工艺简单、操作便捷、不使用酸碱和有机溶剂、对环境无污染等优点，尤其适合规模化量产，具有很好的应用前景。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一方面，本发明提供一种含铝的锂离子电池正极边角料的回收方法，包括如下步骤：在待处理的含铝的锂离子电池正极边角料中加入氟化剂后，高温处理使所述待处理的含铝的锂离子电池正极边角料中的铝氟化，得到能够用于制备锂离子电池的正极材料；
所述铝氟化后的产物主要成分为AlF3、LiF，已有研究表明，该主要成分可以增强锂离子电池活性物质的稳定性。
在上述方法中，优选的，所述待处理的含铝的锂离子电池正极边角料中铝的含量在1000ppm以下；
所述待处理的含铝的锂离子电池正极边角料中铝的含量越低越好，以便于后续工艺操作，但由于铝无法完全去除，当铝含量高于1000ppm时，使用本方法得到的正极边角料制备的锂离子电池中氟化铝含量过高，电池的性能会降低，且如果氟化铝含量过高，边角料不能继续用本申请方法循环回收。
在上述方法中，所述待处理的锂离子电池正极边角料中的铝与所述氟化剂中的氟元素的摩尔比为1:(0.1-20)，优选，1:(1-15)，更优选，1：(5-13)。
在上述方法中，所述氟化剂为聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、全氟(乙烯丙烯)(FEP)共聚物、乙烯-四氟乙烯(ETFE)共聚物中的任一种或任几种，优选，聚偏氟乙烯(PVDF)和/或聚四氟乙烯(PTFE)。
在上述方法中，当所述氟化剂为聚偏氟乙烯(PVDF)和/或聚四氟乙烯(PTFE)时，所述高温处理的温度为500～700℃，优选的，550～650℃，所述高温处理的时间为1～5h，优选，2～3h；
和/或，所述待处理的含铝的锂离子电池正极边角料中加入氟化剂时，一种优选的实施方式为，所述待处理的含铝的锂离子电池正极边角料的状态为固态如粉末(本申请具体实施时为了进行气流分选以去除大部分的铝，粒径在40μm以下)，所述氟化剂的状态为固态如球磨，所述加入的方式为混合，该方式为球磨处理，便于使氟化剂与所述待处理的含铝的锂离子电池正极边角料混合均匀。
在上述方法中，所述待处理的含铝的锂离子电池正极边角料按包括如下步骤的方法制备得到：
将原始的锂离子电池正极边角料机械粉碎后分选以去除部分铝，得到所述待处理的含铝的锂离子电池正极边角料。
在上述方法中，所述分选的方式为气流分选、超声波筛、摇摆振动筛，优选的，所述分级的方式为气流分选，
当所述分级的方式为气流分选时，所述机械粉碎后的所述原始的锂离子电池正极边角料的粒径≤60μm，优选，≤40μm，更优选，20-40μm，或30-40μm，所述气流分选的气体流速为0.10-0.80m/s，优选，0.30-0.60m/s，更优选，0.32-0.50m/s。
在上述方法中，所述待处理的含铝的锂离子电池正极边角料来自如下锂离子电池正极材料：磷酸铁锂、磷酸锰铁锂，优选，磷酸铁锂。
另一方面，本发明还提供了一种锂离子电池正极活性材料，由包括以上任一所述方法制备得到。
另一方面，本发明还保护所述的锂离子电池正极活性材料在制备锂离子电池中的应用。
本发明有益效果：
1、流程短，成本低，效率高，操作简单；
2、未破坏锂离子电池正极边角料中活性物质材料本身的晶体结构，避免了高成本的二次合成；
3、未使用酸碱或有机溶剂，不产生废液污染，工艺过程可实现零污染；
4、高温处理中原位生成的AlF3有效增强了锂离子电池活性物质的稳定性，提升了回收料的品质，更有利于锂离子电池的制备。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为实施例1的正极材料再生后磷酸铁锂电池的充放电测试(0.1C)。
具体实施方式
实施例1、磷酸铁锂正极片边角料的回收
将生产过程产生的磷酸铁锂正极片边角料通过机械粉碎至粒径约为30μm的粉末，再将该粉末置于流化床的分部板上形成固定床，开启风机调节气体流速至0.45m/s，分别得到正极粉末和铝粉，其中得到的正极粉末中金属铝的含量约为730ppm；然后将正极粉末与1wt％的PVDF球磨至充分混合(正极粉末中金属铝与PVDF中的氟元素的摩尔比为1：11)，升温至550℃并保温3h再冷却后，得到能够用于制备锂离子电池的正极材料，且其充放电测试结果如图1所示。
实施例2、磷酸铁锂正极片边角料的回收
将生产过程产生的磷酸铁锂正极片边角料通过机械粉碎至粒径约为38μm的粉末，再将该的粉末置于流化床的分部板上形成固定床，开启风机调节气体流速至0.49m/s，分别得到正极粉末和铝粉，其中得到的正极粉末中金属铝的含量约为830ppm；然后将正极粉末与0.41wt％的PTFE球磨至充分混合(正极粉末中金属铝与PTFE中的氟元素的摩尔比为1：5)，升温至650℃并保温2h再冷却后，得到能够用于制备锂离子电池的正极材料。
实施例3、磷酸铁锂正极片边角料的回收
将生产过程产生的磷酸铁锂正极片边角料通过机械粉碎至粒径约为31μm，再将该该微粒置于流化床的分部板上形成固定床，开启风机调节气体流速至0.50m/s，分别得到正极粉末和铝粉，其中得到的正极粉末中金属铝的含量约为893ppm；然后将正极粉末与1.1wt％的PTFE球磨至充分混合(正极粉末中金属铝与PTFE中的氟元素的摩尔比为1：13)，升温至600℃并保温2h再冷却后，得到能够用于制备锂离子电池的正极材料。
实施例4、磷酸锰铁锂正极片边角料的回收
将生产过程产生的磷酸锰铁锂正极片边角料通过机械粉碎至粒径约为35μm，再将该微粒置于流化床的分部板上形成固定床，开启风机调节气体流速至0.32m/s，分别得到正极粉末和铝粉，其中得到的正极粉末中金属铝的含量约为750ppm；然后将正极粉末与0.9wt％的PVDF球磨至充分混合(正极粉末中金属铝与PVDF中的氟元素的摩尔比为1：10)，升温至650℃并保温3h再冷却后，得到能够用于制备锂离子电池的正极材料。
实施例5、回收材料的应用及性能测试
一、锂离子电池
将实施例1-4得到的用于制备锂离子电池的正极材料制备成相应类型的锂离子电池，并测试电池性能，结果如图1和表1所示。
表1、锂离子电池性能
Figure BDA0002837063740000061
图1和表1的结果表明，实施例1-4中锂离子电池正极片回收后的正极材料制备的相应类型锂离子电池在使用性能和安全性能以及电化学特性等方面上符合锂离子电池使用要求。
二、铝壳电池
将实施例1-4得到的用于制备锂离子电池的正极材料制备成50Ah铝壳电池，并测试电池性能，结果如表2所示。
表2、50Ah铝壳电池数据
Figure BDA0002837063740000062
Figure BDA0002837063740000071
表2的结果表明，实施例1-4中锂离子电池正极片回收后的正极材料制备的50Ah铝壳电池在使用性能和安全性能以及电化学特性等方面上符合锂离子电池正极材料的使用要求。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.含铝的锂离子电池正极边角料的回收方法，其特征在于，包括如下步骤：
在待处理的含铝的锂离子电池正极边角料中加入氟化剂后，高温处理使所述待处理的含铝的锂离子电池正极边角料中的铝氟化，得到能够用于制备锂离子电池的正极材料；
所述待处理的含铝的锂离子电池正极边角料中铝的含量在1000 ppm以下；
所述待处理的锂离子电池正极边角料中的铝与所述氟化剂中的氟元素的摩尔比为1：（5-13）；
所述氟化剂为聚偏氟乙烯（PVDF）；
所述高温处理的温度为500～700 ℃，所述高温处理的时间为1～5 h；
所述待处理的含铝的锂离子电池正极边角料中加入氟化剂时，所述待处理的含铝的锂离子电池正极边角料的状态为粉末；所述加入的方式为混合，该方式为球磨处理；
所述待处理的含铝的锂离子电池正极边角料按包括如下步骤的方法制备得到：
将原始的锂离子电池正极边角料机械粉碎后分选以去除部分铝，得到所述待处理的含铝的锂离子电池正极边角料；
所述机械粉碎后的原始的锂离子电池正极边角料的粒径为20-40μm；
所述待处理的含铝的锂离子电池正极边角料来自如下锂离子电池正极材料：磷酸铁锂。
2.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，所述高温处理的温度为550～650 ℃，所述高温处理的时间为2～3 h。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分选的方式为气流分选、超声波筛、或摇摆振动筛。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述分选的方式为气流分选，
当所述分选的方式为气流分选时，所述气流分选的气体流速为0.10-0.80 m/s。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述气流分选的气体流速为0.30-0.60 m/s。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述气流分选的气体流速为0.32-0.50m/s。
7.一种锂离子电池正极活性材料，其特征在于，由包括权利要求1-6中任一所述方法制备得到。
8.权利要求7所述的锂离子电池正极活性材料在制备锂离子电池中的应用。
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