CN112670602A

CN112670602A - 一种锂离子电池三元正极材料的再生修复处理方法

Info

Publication number: CN112670602A
Application number: CN202010934418.5A
Authority: CN
Inventors: 曹元成; 郭亚晴; 黄鹏杰
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2020-09-08
Filing date: 2020-09-08
Publication date: 2021-04-16
Anticipated expiration: 2040-09-08
Also published as: CN112670602B

Abstract

本发明提供了一种锂离子电池三元正极材料的再生修复处理方法。该方法首先将失效的锂离子电池三元正极材料加入到DMF中除去电解质，再通过NMP浸泡洗涤使表面的CEI膜的厚度≤10nm，以去除表面的PVDF以及CEI膜中的有机锂盐成分，然后进行退火处理进一步去除多余的PVDF；再进行水热补锂处理后，根据CEI膜的厚度确定高温煅烧温度和时间，使得表面残留的LiOH以及CEI膜中的无机锂盐与空气中的二氧化碳反应生成碳酸锂熔融盐，进而和材料表面的岩盐相反应生成修复好的层状三元材料。本发明针对失效的正极材料表面的CEI膜的结构和组成，对现有的水热修复技术进行改进，从而得到性能优异的再生正极材料。

Description

一种锂离子电池三元正极材料的再生修复处理方法

技术领域

本发明涉及锂离子废旧电池回收技术领域，尤其涉及一种锂离子电池三元正极材料的再生修复处理方法。

背景技术

锂离子电池(LIBs)由于具有高能量密度(260Wh kg^-1和700Wh L^-1)、高库仑效率(99.98％)和长循环寿命(>1000次循环)等特点，成为适用于便携式电子产品和电动汽车主要的动力源。随着市场需求的快速增长，锂离子电池的全球生产能力有望在未来5年达到每年GWh。在这种情况下，回收和再利用废弃锂(运行5年10年后)，回收锂和过渡金属资源，以及消除废弃电池处理带来的污染，已成为一项紧迫的任务。

目前回收阴极材料的方法包括火法冶金、湿法冶金和直接回收。火法冶金需要高温熔炼以及多步净化和分离过程；湿法冶金法需要酸浸和随后复杂的沉淀步骤来生产用于重新合成新阴极材料的前驱体。两种方法都必须完全破坏阴极粒子。与上述方法不同的是，直接回收方法结合了物理分离过程来获取阴极材料，并通过后处理(如重熔、退火)过程来修复电极颗粒的成分和结构缺陷，从而产生再生的阴极，这些阴极很容易用于制造新电池。在适当的条件下，直接再生阴极材料可以表现出高的比容量，高循环稳定性和高倍率特性。

然而，目前的修复过程仅仅局限于对材料表面相变的机理分析，很少有对材料表面CEI膜的修复进行深入探讨。三元材料正极在充放电循环后，表面会形成一层接近100纳米的CEI膜，他的成分根据采用的电解质不同而略有区别，但是主要可以分为有机锂盐和无机锂盐两大类。其中无机锂盐紧紧生长在三元材料表面，而有机锂盐则在材料外侧，和电解液直接接触。CEI膜的存在会影响锂离子的扩散迁移，造成材料的电化学阻抗的变化。并且在回收修复三元材料时，CEI膜也会有一定的阻碍作用，为了得到更高性能的三元材料，CEI膜的修复也必须考虑其中。

因此，针对三元材料的理论分析，研究其修复性能的关键影响因素对修复工艺的确定具有重要意义。其中，对电池进行原位阻抗等电化学性能测试分析不仅有利于从原理上了解材料性能的影响因素，还有利于指导实验设计对材料进行再次回收利用。再通过水热结合熔融盐法对失效材料进行回收利用具有重要的社会经济学意义。而现有技术虽然也有水热补锂和高温煅烧处理的修复工艺，但由于未留意到CEI膜在其中的变化和影响，存在对水热补锂缺乏前置预处理、缺乏对水热补锂和高温煅烧处理的工艺参数的针对性设置等问题。

有鉴于此，有必要设计一种改进的锂离子电池三元正极材料的再生修复处理方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锂离子电池三元正极材料的再生修复处理方法，针对失效的正极材料表面的CEI膜的结构和组成，对现有的水热修复技术进行改进，从而得到性能优异的再生正极材料。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种锂离子电池三元正极材料的再生修复处理方法，包括以下步骤：

S1.将失效的锂离子电池三元正极材料加入到N，N-二甲基甲酰胺中除去电解质，然后将其浸泡至温度为45-75℃的N-甲基-2-吡咯烷酮中进行洗涤处理，然后测试其表面的CEI膜的厚度，接着进行离心、干燥、筛分和退火处理，得到预处理三元正极材料；

S2.将步骤S2得到的所述预处理三元正极材料和LiOH溶液混合均匀，然后在200～250℃下水热反应1～3h，过滤烘干，得到表面包覆有LiOH的三元正极材料；

S3.将步骤S2得到的所述表面包覆有LiOH的三元正极材料在空气氛围中进行高温煅烧处理，以使表面包覆的LiOH与空气中的二氧化碳反应生成碳酸锂熔融盐，并使CEI膜中的无机锂盐高温熔融形成酸锂熔融盐，进而和表面的岩盐相反应，得到修复的三元正极材料；

其中，所述高温煅烧处理的温度和时间与步骤S1中所述CEI膜的厚度呈正相关性。

作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，所述N-甲基-2-吡咯烷酮与所述锂离子电池三元正极材料的质量比为4～8:1。

作为本发明的进一步改进，所述退火处理的温度为400～450℃，时间为1～3h。

作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，所述CEI膜的厚度为3～10nm。

作为本发明的进一步改进，所述CEI膜的厚度通过透射电镜测试得到。

作为本发明的进一步改进，在步骤S2中，所述LiOH溶液的浓度为2～4mol/L。

作为本发明的进一步改进，所述预处理三元正极材料和LiOH的摩尔比为1:0.3～0.5。

作为本发明的进一步改进，在步骤S3中，当所述CEI膜的厚度为5～10nm时，所述高温煅烧处理的温度为810～850℃，时间为4～6h；当所述CEI膜的厚度为3～5nm时，所述高温煅烧处理的温度为760～810℃，时间为2～4h。

作为本发明的进一步改进，所述高温煅烧处理的升温速率为1～3℃/min。

作为本发明的进一步改进，所述失效的锂离子电池三元正极材料为失效的NCM三元材料。

作为本发明的进一步改进，所述失效的锂离子电池三元正极材料为失效的NCM523三元材料或失效的NCM 523三元材料。

本发明的有益效果是：

1、本发明针对失效的正极材料表面的CEI膜的结构和组成以及失效的三元材料的表面结构和特性，对现有的水热修复技术进行改进，采取水热协同熔融盐的修复过程，从而得到性能优异的再生正极材料。具体为：失效的三元正极材料表面具有阻碍离子扩散的尖晶石相、岩盐相以及CEI膜，所以在不同电位下的交流阻抗较大，水热以及高温煅烧处理可以修复材料的相变区域，但是表面的CEI膜不做处理会生成杂质残留在三元材料表面，因此在回收修复三元材料时必须同时消去材料表面的CEI膜。据此，本发明首先通过NMP浸泡洗涤使表面的CEI膜的厚度≤10nm，以去除表面的PVDF以及CEI膜中的有机锂盐成分，然后进行退火处理进一步去除多余的PVDF，防止PVDF和CEI膜的有机锂盐对后续水热处理和熔融盐处理造成影响，产生不必要的杂质相，并保留无机锂盐成分，以使其在高温煅烧时形成熔融盐与岩盐相反应；再进行水热补锂处理，以将三元材料表面失去的锂离子补充进晶格中，并在材料表面包裹一层LiOH；然后根据CEI膜的厚度确定高温煅烧的温度和时间，并进行高温煅烧处理，使得表面残留的LiOH以及CEI膜中的无机锂盐与空气中的二氧化碳反应生成碳酸锂熔融盐，进而和材料表面的岩盐相反应生成修复好的层状三元材料。

2、本发明依据CEI膜厚度以及失效的三元材料的表面结构和特性，巧妙地将水热补锂处理和高温熔融盐处理相结合，除了利用水热补锂处理将三元材料表面失去的锂离子补充进晶格中外，还特意保留在材料表面包裹的一层LiOH，利用LiOH和空气中的二氧化碳反应生成碳酸锂熔融盐，进而与材料表面的岩盐相反应实现材料表面的修复；与此同时，CEI膜中的无机锂盐也在高温条件下熔融生产碳酸锂熔融盐，同样能够对岩盐相进行修复，并同时消除了表面的CEI膜，一举两得。因此，本发明的NMP洗涤、水热处理过程以及高温煅烧处理三个步骤之间具有层层递进和相互影响的关系，通过对每一步的工艺参数进行合理调控，能够实现三元正极材料的最优修复。

3、本发明针对三元材料在失效以及采取水热协同熔融盐的修复过程的电化学的特点，结合原位阻抗测试分析，得到一种较好的材料回收方案，有利于促进动力电池体系的回收利用，有望提高相关产业公司的电池储能产品竞争力，在电池储能推广应用中具有重要社会经济学意义。

附图说明

图1中a、b、c为本发明实施例1NMP浸泡前的失效的三元正极材料表面TEM电镜图，d为NMP浸泡后的失效的三元正极材料表面TEM电镜图。

图2中a、b、c、d、e、f分别为商业三元正极材料、NMP浸泡后的失效的三元正极材料、NMP浸泡后退火处理的失效的三元正极材料以及水热处理1h、2h和3h的三元正极材料的表面形貌SEM图。

图3为商业三元正极材料、失效的三元正极材料、水热处理1h、2h和3h以及实施例1修复后的三元正极材料的X射线衍射图。

图4为失效的和修复的三元正极材料的UPS分析图谱。

图5中1、2、3、4、5、6、7、8分别为商业三元正极材料、失效的三元正极材料、NMP浸泡后的失效的三元正极材料、NMP浸泡后退火处理的失效的三元正极材料、水热处理1h、2h和3h的三元正极材料以及实施例1修复后的三元正极材料的ICP分析图谱。

图6为商业三元正极材料、失效的三元正极材料、预处理的三元正极材料及实施例1修复后的三元正极材料的粒径分布图。

图7中a、b分别为实施例1修复的三元正极材料充电和放电的电化学阻抗谱；c、d分别为对比例1修复的三元正极材料充电和放电的电化学阻抗谱；e、f分别为失效的三元正极材料充电和放电的电化学阻抗谱。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

锂离子电池三元正极材料循环后表面生成的CEI膜对材料性能有一定的影响，然而目前材料的回收修复都忽略了CEI膜的作用。因此，本发明通过原位电化学检测深入了解不同修复过程中材料内部离子迁移状态，并针对此原理分析，对现有的水热修复技术进行改进，从而得到性能优异的再生正极材料。

本发明提供了一种锂离子电池三元正极材料的再生修复处理方法，包括以下步骤：

S1.将失效的锂离子电池三元正极材料加入到N，N-二甲基甲酰胺中除去电解质，然后将其浸泡至温度为45-75℃的N-甲基-2-吡咯烷酮中进行洗涤处理，然后测试其表面的CEI膜的厚度，接着进行离心、干燥、筛分和退火处理，得到预处理三元正极材料。

其中，所述N-甲基-2-吡咯烷酮与所述锂离子电池三元正极材料的质量比为4～8:1。

所述退火处理的温度为400～450℃，时间为1～3h。

所述CEI膜的厚度为3～10nm。

所述CEI膜的厚度通过透射电镜测试得到。

在此步骤中，通过DMF和NMP的浸泡洗涤处理，除去失效的三元正极材料表面的PVDF以及CEI膜中的有机锂盐成分，将材料表面50～100nm纳米厚的CEI膜壳层变成仅3-10纳米厚的无机锂盐成分，如碳酸锂，氟化锂等。NMP浸泡后进行退火处理(稳定范围400～450℃，1～3h)，以进一步烧去多余的PVDF，但碳粉颗粒仍存在于其表面。

S2.将步骤S2得到的所述预处理三元正极材料和LiOH溶液混合均匀，然后在200～250℃下水热反应1～3h，过滤烘干，得到表面包覆有LiOH的三元正极材料。

其中，所述LiOH溶液的浓度为2～4mol/L。所述预处理三元正极材料和LiOH的摩尔比为1:0.3～0.5。

在此步骤中，通过在LiOH溶液中水热处理，将三元材料表面失去的锂离子补充进晶格中，随后再过滤烘干，在水热处理后表面会包裹一层LiOH。

其中，当所述CEI膜的厚度为5～10nm时，所述高温煅烧处理的温度为810～850℃，时间为4～6h；当所述CEI膜的厚度为3～5nm时，所述高温煅烧处理的温度为760～810℃，时间为2～4h。

所述高温煅烧处理的升温速率为1～3℃/min。

在此步骤中，烘干后的三元正极材料表面存在CEI膜无机锂盐以及水热后残留的LiOH，通过在空气中高温煅烧，LiOH和空气中的二氧化碳反应生成碳酸锂，此时无机锂盐在高温条件下也会熔融生成碳酸锂熔融盐，和材料表面的岩盐相进一步反应生成修复好的层状三元材料。本发明通过步骤S1中NMP洗去部分CEI膜后，测试其表面剩余的CEI膜厚度，然后根据CEI膜厚度合理设置高温煅烧温度和时间，从而能够实现三元正极材料的最佳修复状态。

所述失效的锂离子电池三元正极材料为失效的NCM三元材料。

所述失效的锂离子电池三元正极材料为失效的NCM523三元材料或失效的NCM 523三元材料。

实施例1

一种锂离子电池三元正极材料的再生修复处理方法，包括以下步骤：

S1.将失效的锂离子电池三元正极材料NCM 523加入到N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中除去电解质，然后将其浸泡至温度为60℃的N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)中进行洗涤处理(NMP与锂离子电池三元正极材料的质量比为5:1)，接着进行离心、干燥、筛分和退火处理，退火处理的温度为420℃，时间为2h，得到预处理三元正极材料；请参阅图1所示，可以看出，NMP洗涤处理前，CEI膜的平均厚度约为100nm，NMP洗涤处理后，表面的CEI膜的平均厚度约为5～6nm。请参阅图2所示，NMP洗涤除去了失效的三元正极材料表面的部分PVDF以及CEI膜中的有机锂盐成分，通过退火处理，进一步烧去多余的PVDF，表面杂相变少。

S2.将步骤S2得到的所述预处理三元正极材料和LiOH溶液混合均匀(预处理三元正极材料和LiOH的摩尔比为1:0.4)，然后在220℃下水热反应2h后，过滤烘干。请参阅图3至6所示，水热过程的材料层间距明显变大，说明在水热过程中有Li离子嵌入。通过粒径分析可以看出，失效的三元正极材料由于具有粘结剂PVDF，表面团聚明显，导致材料粒径较大。而预处理可以缓解这个团聚，但是仍存在部分团聚；水热以及高温煅烧能有效消除团聚行为。UPS分析表明，失效的三元正极材料逸出功远大于修复的三元正极材料。ICP分析表明，NMP 523三元正极材料的金属阳离子扩散迁移行为不明显，金属离子比例相近。

S3.根据步骤S1中CEI膜的平均厚度约为6nm，将经步骤S2处理后的所述三元正极材料在空气氛围中和810℃下进行高温煅烧处理4h，其中，升温速率为3℃/min，得到修复的三元正极材料。

对得到修复的三元正极材料进行原位交流阻抗测试(in situ EIS)，将材料装成Li金属为负极，三元材料为正极，电压振幅为5mV，在不同电压中测试材料的EIS特性。频率范围0.01Hz–10MHz，电压窗口为2.8V–4.5V，电压间隔为0.15V测量一次EIS，每次测量前需要电压稳定900s。

请参阅图7所示，可以看出，对于完全失效的三元正极材料(e，f)其界面转移电阻较大，主要是表面的尖晶石相以及岩盐相，CEI膜共同作用造成的，并且失效材料对电位的响应不明显。而本实施例得到的修复的三元正极材料具有较小的界面转移电阻以及较高的离子扩散系数。说明本实施例针对失效的正极材料表面的CEI膜的结构和组成，对现有的水热修复技术进行改进，以CEI膜的厚度为依据，依次对其进行NMP洗涤处理、退火处理、水热处理和高温煅烧处理，并依据CEI膜的厚度在最佳煅烧温度和时间下，将CEI膜中的无机锂盐转变为熔融盐并与材料表面的岩盐相进一步反应生成修复好的层状三元材料，从而得到性能优异的再生正极材料。

对比例1

一种锂离子电池三元正极材料的再生修复处理方法，与实施例1相比，不同之处在于，在步骤S2中，水热反应后，采用乙醇反复洗涤水热处理后的三元正极材料，以洗去表面的LiOH，然后在过滤烘干进行步骤S3的高温煅烧处理。其他与实施例1大致相同，在此不再赘述。

请参阅图7中c和d所示，可以看出，当在水热处理后洗去表面包裹的LiOH之后再进行高温煅烧处理，得到的修复的三元正极材料拥有较小的界面转移电阻，但离子扩散较慢。二者对电压都有明显的响应，尤其是在氧化还原电位下，界面转移电阻变化较大，复合实际。这可能是由于洗去LiOH之后，表面只剩CEI膜的无机锂盐，高温煅烧时产生的熔融盐含量明显减少，不足以修复材料表面的岩盐相，因此水热补锂处理的作用除了将三元材料表面失去的锂离子补充进晶格中外，在材料表面包裹一层LiOH对后续高温煅烧处理修复也是很有必要的。

实施例2-5及对比例2

实施例2-5及对比例2提供的一种锂离子电池三元正极材料的再生修复处理方法，与实施例1相比，不同之处在于，在步骤S2中，所述预处理三元正极材料和LiOH的摩尔比以及水热处理的时间如表1所示。其他与实施例1大致相同，在此不再赘述。

表1实施例2-5及对比例2的制备条件及性能测试结果

从表1可以看出，随着预处理三元正极材料和LiOH的摩尔比的增大或随着水热处理时间的降低，得到的修复的正极材料的0.1C充电容量呈降低趋势，这可能是因为LiOH的含量过低时，一方面补充进晶格中的锂离子含量降低，另一方面材料表面包裹的LiOH的含量也随之降低，导致高温煅烧时产生的熔融盐含量减少，无法完全修复材料表面的岩盐相，使得修复的正极材料性能下降。

实施例6-7及对比例3-4

实施例6-7及对比例3-4提供的一种锂离子电池三元正极材料的再生修复处理方法，与实施例1相比，不同之处在于，在步骤S3中，所述CEI膜的平均厚度以及煅烧温度和时间如表2所示。其他与实施例1大致相同，在此不再赘述。

表2实施例6-7及对比例3-4的制备条件及性能测试结果

从表2可以看出，不同厚度的CEI膜对最终煅烧时间的要求比较大。其中CEI膜越厚，煅烧熔融需要的能量越大，可以通过升高温度或者延长煅烧时间加以修复，最终可以得到较好的性能。而且CEI膜厚度减小时，正极材料的0.1C充电容量也有所降低，可能是因为产生的熔融盐含量减少，无法完全修复材料表面的岩盐相。从对比例3和4与实施例1和6可以看出，当CEI膜厚度较小时，煅烧温度不适宜过高，这可能是因为煅烧温度过高时，几纳米厚熔融盐分子剧烈运动，不利于与岩盐相进行修复反应。当CEI膜厚度较大时，煅烧温度降低，同样导致充电容量的下降，这可能是因为温度降低时不利于厚度相对较厚的熔融盐分子与岩盐相的修复反应。由此说明，根据CEI膜厚度合理选取高温煅烧温度和时间，能够优化修复的正极材料的性能。

综上所述，本发明针对失效的正极材料表面的CEI膜的结构和组成以及失效的三元材料的表面结构和特性，对现有的水热修复技术进行改进，采取水热协同熔融盐的修复过程，首先通过NMP浸泡洗涤使表面的CEI膜的厚度≤10nm，以去除表面的PVDF以及CEI膜中的有机锂盐成分，然后进行退火处理进一步去除多余的PVDF，防止PVDF和CEI膜的有机锂盐对后续水热处理和熔融盐处理造成影响，产生不必要的杂质相，并保留无机锂盐成分，以使其在高温煅烧时形成熔融盐与岩盐相反应；再进行水热补锂处理，以将三元材料表面失去的锂离子补充进晶格中，并在材料表面包裹一层LiOH；然后根据CEI膜的厚度确定高温煅烧的温度和时间，并进行高温煅烧处理，使得表面残留的LiOH以及CEI膜中的无机锂盐与空气中的二氧化碳反应生成碳酸锂熔融盐，进而和材料表面的岩盐相反应生成修复好的层状三元材料，从而得到性能优异的再生正极材料。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种锂离子电池三元正极材料的再生修复处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种三元正极材料的再生修复处理方法，其特征在于，在步骤S1中，所述N-甲基-2-吡咯烷酮与所述锂离子电池三元正极材料的质量比为4～8:1。

3.根据权利要求1所述的一种三元正极材料的再生修复处理方法，其特征在于，在步骤S1中，所述退火处理的温度为400～450℃，时间为1～3h。

4.根据权利要求1所述的一种三元正极材料的再生修复处理方法，其特征在于，在步骤S1中，所述CEI膜的厚度为3～10nm。

5.根据权利要求4所述的一种三元正极材料的再生修复处理方法，其特征在于，所述CEI膜的厚度通过透射电镜测试得到。

6.根据权利要求1所述的一种三元正极材料的再生修复处理方法，其特征在于，在步骤S2中，所述LiOH溶液的浓度为2～4mol/L，所述预处理三元正极材料和LiOH的摩尔比为1:0.3～0.5。

7.根据权利要求1至6中任一项权利要求所述的一种三元正极材料的再生修复处理方法，其特征在于，在步骤S3中，当所述CEI膜的厚度为5～10nm时，所述高温煅烧处理的温度为810～850℃，时间为4～6h；当所述CEI膜的厚度为3～5nm时，所述高温煅烧处理的温度为760～810℃，时间为2～4h。

8.根据权利要求1或7所述的一种三元正极材料的再生修复处理方法，其特征在于，所述高温煅烧处理的升温速率为1～3℃/min。

9.根据权利要求1所述的一种三元正极材料的再生修复处理方法，其特征在于，所述失效的锂离子电池三元正极材料为失效的NCM三元材料。

10.根据权利要求9所述的一种三元正极材料的再生修复处理方法，其特征在于，所述失效的锂离子电池三元正极材料为失效的NCM523三元材料或失效的NCM 523三元材料。