CN112824327A - 一种三元电极材料的回收方法 - Google Patents

一种三元电极材料的回收方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三元电极材料的回收方法，其包括：拆解废旧三元电池，获取正极片；加热处理所述正极片，获取回收三元电极材料；将所述回收三元电极材料与含锂化合物、无机盐熔盐混合均匀，加热至第一加热温度，并保持第一加热时间，随后冷却至室温；用水洗涤后干燥；加热至第二加热温度，并保持第二加热时间，随后冷却至室温。根据本发明，在回收过程中不产生酸性废水和污染性气体，能够绿色环保地回收废旧三元电池的三元电极材料；并且回收过程简单、耗时短，能够快捷地回收废旧三元电池的三元电极材料；能够直接获得单晶的三元正极材料，能够直接用作新的三元电极材料，极大提高了产品附加值。

Description

一种三元电极材料的回收方法
技术领域
本发明涉及一种三元电极材料的回收方法。
背景技术
三元电极材料是目前电动汽车的电池上使用量最大的一种正极材料，主要存在镍钴锰酸锂和镍钴铝酸锂两种。三元正极材料在锂电池成本中占比最高，达到40％左右，具有很高的回收价值。随着电动汽车保有量快速增长，未来越来越多的废弃电池将面临报废回收的难题。目前国内三元电极材料的回收主要采用湿法工艺，使用强酸将废旧电池中的三元电极材料消解。在湿法工艺的处理过程会产生大量酸性废水，并且处理周期长，最终只能回收获得碳酸锂、硫酸镍、硫酸钴等低价值的化工原料。
发明内容
发明要解决的问题
本发明正是为了解决上述技术问题而完成的，其目的在于提供一种绿色环保、处理过程简单、耗时短、最终产物附加值高的三元电极材料的回收方法。
解决问题的技术手段
本发明所涉及的三元电极材料的回收方法包括：拆解废旧三元电池，获取正极片；加热处理所述正极片，获取回收三元电极材料；将所述回收三元电极材料与含锂化合物、无机盐熔盐混合均匀，加热至第一加热温度，并保持第一加热时间，随后冷却至室温；用水洗涤后干燥；加热至第二加热温度，并保持第二加热时间，随后冷却至室温。
发明的效果
根据本发明，在回收过程中不产生酸性废水和污染性气体，能够绿色环保地回收废旧三元电池的三元电极材料；并且回收过程简单、耗时短，能够快捷地回收废旧三元电池的三元电极材料；能够直接获得单晶的三元正极材料，该单晶的三元正极材料能够直接用作新的三元电极材料，极大提高了产品附加值。
附图说明
图1为表示本发明的回收方法的流程的流程图。
图2为表示回收三元电极材料的例子的扫描电子显微镜图像。
图3为产物7的扫描电子显微镜图像。
图4为产物8的扫描电子显微镜图像。
图5为产物9的扫描电子显微镜图像。
图6为产物10的扫描电子显微镜图像。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的具体实施方式进行说明。
本发明旨在提供一种回收废旧三元电池中的三元电极材料的方法。三元电极材料在电池中用作正极，目前具有镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂等三元电极材料。该镍钴锰酸锂的化学式为LiaNixCoyMnzO2，其中，1.0≤a≤1.1，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，且x+y+z＝1。该镍钴铝酸锂的化学式LibNiuCovAlwO2，其中，1.0≤b≤1.1，0≤u≤1，0≤v≤1，0≤w≤1，且u+v+w＝1。所述镍钴锰酸锂或镍钴铝酸锂材料均为多晶结构。本发明的方法包括，采用高温处理正极片，裂解正极片粘结剂，让正极活性物质和导电剂从铝集流体脱落，收集作为脱落粉体的回收三元电极材料，然后将回收三元电极材料与无机熔盐、含锂化合物混合高温煅烧得到单晶型镍钴锰酸锂正极材料。传统的干法或湿法三元材料回收工艺过程复杂，能耗高，回收所得的产品是单一金属元素的盐或氧化物，经济价值较低。本发明的方法将废旧三元电池的正极片经过简单加热处理后，通过一步法直接得到单晶型三元电极材料，极大提高了产品附加值。
图1为表示本发明的回收方法的流程的流程图。
如图1所示，本发明的三元电极材料的回收方法包括以下步骤：拆解废旧三元电池，获取正极片(S1)；加热处理所述正极片，获取回收三元正极材料(S2)；将所述回收三元正极材料与含锂化合物、无机盐熔盐混合均匀，加热至第一加热温度，并保持第一加热时间(S3)；以第一冷却速率冷却至第一冷却温度后，自然冷却至室温(S4)；用水洗涤后干燥(S5)；加热至第二加热温度，并保持第二加热时间(S6)；以第二冷却速率冷却至第二冷却温度后，自然冷却至室温(S7)。
在步骤S1中，将废旧三元电池拆解，获取正极片。废旧三元电池的SOC态可以是0％～120％之间。
在步骤S2中，加热处理所述正极片，获取回收三元正极材料。将回收的正极片放入坩埚中，空气气氛下加热至500℃，保持1小时，冷却至室温，收集极片上脱落的粉体，得到回收三元电极材料。但是本发明不限于此，只要能够裂解正极片粘结剂，让正极活性物质和导电剂从铝集流体脱落，也可以选择其他的加热温度以及加热时间。
根据回收电池的种类不同，所述回收三元电极材料可以是镍钴锰酸锂(Li(NiCoMn)1/3O2、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2)或是镍钴锰酸铝(LiNi0.85Co0.1Al0.05O2)。图2为表示回收三元电极材料的例子LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2的扫描电子显微镜图像。如图2所示，回收三元电极材料为多晶结构，且该回收三元电极材料在经历长循环后，结构已经明显开裂。
在步骤S3中，将所述回收三元正极材料与含锂化合物、无机盐熔盐混合均匀，加热至第一加热温度，并保持第一加热时间。
所述回收三元电极材料、含锂化合物、无机盐熔盐的摩尔比可以为1：c：d，其中c≤1，d/(1+c+d)≤0.22。
所述含锂化合物可以是氢氧化锂，所述无机盐熔盐可以是Li2SO4、Na2SO4、K2SO4、Rb2SO4、Cs2SO4、LiF、LiCl、NaCl、KCl、RbCl、CsCl、BaCl2、CaCl、Li2CO3、Na2CO3、K2CO3、LiNO3、NaNO3、LiOH、NaOH、KOH中的一种或以任意比例混合的多种。
所述第一加热温度可以为800℃～1000℃，优选为900℃～1000℃。所述第一加热时间可以为5-20小时，优选为10小时。但是本发明不限于此，也可以选择其他的加热温度以及加热时间。
在步骤S4中，以第一冷却速率冷却至第一冷却温度后，自然冷却至室温。
所述第一冷却速率可以为2℃/min，所述第一冷却温度可以为200℃。但是本发明不限于此，也可以选择其他的冷却速率以及冷却温度。
在步骤S5中，用水洗涤后干燥。由此，去除无机盐熔盐以及多余的含锂化合物，使得最终产物中为纯净物质。
在步骤S6中，加热至第二加热温度，并保持第二加热时间。
所述第二加热温度可以为450℃-750℃，优选为750℃。所述第二加热时间可以为5-20小时，优选为10小时。但是本发明不限于此，也可以选择其他的加热温度以及加热时间。
在步骤S7中，以第二冷却速率冷却至第二冷却温度后，自然冷却至室温。
所述第二冷却速率可以为2℃/min，所述第二冷却温度可以为200℃。但是本发明不限于此，也可以选择其他的冷却速率以及冷却温度。
由此，获得作为最终回收产物的三元电极材料。图3–图6为表示本发明的回收产物的例子的扫描电子显微镜图像。其中图3为产物7(LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2)的扫描电子显微镜图像，图4为产物8(LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2)的扫描电子显微镜图像，图5为产物9(LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2)的扫描电子显微镜图像，图6为产物10(LiNi0.85Co0.1Al0.05O2)的扫描电子显微镜图像。如图3–图6所示，回收产物为单晶结构的三元电极材料，其粒径分布均匀，大小在1～3微米之间，具有很高的产品附加值。
以下通过实施例对本发明进行具体说明。其中，实施例1-5为说明步骤S1-S2的实施例，实施例6-10为说明步骤S3-S7的实施例，实施例11-13以及对比例1-2为电化学性能对比实施例。
实施例1
将废旧三元电池拆开，废旧三元电池的SOC态可以是0％～120％之间，取出镍钴锰酸锂(Li(NiCoMn)1/3O2)正极片，将回收的正极片放入坩埚中，空气气氛下加热至500℃，保持1小时，冷却至室温，收集极片上脱落的粉体，得到产物1(Li(NiCoMn)1/3O2)。
实施例2
将废旧三元电池拆开，废旧三元电池的SOC态可以是0％～120％之间，取出镍钴锰酸锂(LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2)正极片，将回收的正极片放入坩埚中，空气气氛下加热至500℃，保持1小时，冷却至室温，收集极片上脱落的粉体，得到产物2(LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2)。
实施例3
将废旧三元电池拆开，废旧三元电池的SOC态可以是0％～120％之间，取出镍钴锰酸锂(LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2)正极片，将回收的正极片放入坩埚中，空气气氛下加热至500℃，保持1小时，冷却至室温，收集极片上脱落的粉体，得到产物3(LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2)。
实施例4
将废旧三元电池拆开，废旧三元电池的SOC态可以是0％～120％之间，取出镍钴锰酸锂(LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2)正极片，将回收的正极片放入坩埚中，空气气氛下加热至500℃，保持1小时，冷却至室温，收集极片上脱落的粉体，得到产物4(LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2)。
实施例5
将废旧三元电池拆开，废旧三元电池的SOC态可以是0％～120％之间，取出镍钴锰酸锂(LiNi0.85Co0.1Al0.05O2)正极片，将回收的正极片放入坩埚中，空气气氛下加热至500℃，保持1小时，冷却至室温，收集极片上脱落的粉体，得到产物5(LiNi0.85Co0.1Al0.05O2)。
实施例6
将(9.2g，0.1mol)产物1，(2.4g，0.1mol)LiOH，(7.1g，0.05mol)Na2SO4混合均匀，放入刚玉坩埚中，以10℃/min的升温速率，加热至1000℃，保持10小时，以2℃/min的降温速率冷却至200℃，然后自然冷却至室温，混合物用去离子水洗涤3次，得到初产物，将初产物于80℃干燥5小时，然后放入坩埚中，以10℃/min的升温速率，加热至750℃，保持10小时，以2℃/min的降温速率冷却至200℃，然后自然冷却至室温，得最终产物6。结构式为Li(NiCoMn)1/3O2。
实施例7
将(9.2g，0.1mol)产物2，(2.4g，0.1mol)LiOH，(2.92g，0.05mol)NaCl混合均匀，放入刚玉坩埚中，以10℃/min的升温速率，加热至900℃，保持10小时，以2℃/min的降温速率冷却至200℃，然后自然冷却至室温，混合物用去离子水洗涤3次，得到初产物，将初产物于80℃干燥5小时，然后放入坩埚中，以10℃/min的升温速率，加热至750℃，保持10小时，以2℃/min的降温速率冷却至200℃，然后自然冷却至室温，得最终产物7，结构式为LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2。
实施例8
将(9g，～0.1mol)产物3，(2.4g，0.1mol)LiOH，(7.1g，0.05mol)Na2SO4混合均匀，放入刚玉坩埚中，以10℃/min的升温速率，加热至900℃，保持10小时，以2℃/min的降温速率冷却至200℃，然后自然冷却至室温，混合物用去离子水洗涤3次，得到初产物，将初产物于80℃干燥5小时，然后放入坩埚中，以10℃/min的升温速率，加热至750℃，保持10小时，以2℃/min的降温速率冷却至200℃，然后自然冷却至室温，得最终产物8，结构式为LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2。
实施例9
将(9g，～0.1mol)产物4，(2.4g，0.1mol)LiOH，(7.1g，0.05mol)Na2SO4，(1.12g，0.0065mol)K2SO4混合均匀，放入刚玉坩埚中，以10℃/min的升温速率，加热至900℃，保持10小时，以2℃/min的降温速率冷却至200℃，然后自然冷却至室温，混合物用去离子水洗涤3次，得到初产物，将初产物于80℃干燥5小时，然后放入坩埚中，以10℃/min的升温速率，加热至750℃，保持10小时，以2℃/min的降温速率冷却至200℃，然后自然冷却至室温，得最终产物9，结构式为LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2。
实施例10
将(9g，～0.1mol)产物5，(2.4g，0.1mol)LiOH，(7.1g，0.05mol)Na2SO4，(1.12g，0.0065mol)K2SO4混合均匀，放入刚玉坩埚中，以10℃/min的升温速率，加热至900℃，保持10小时，以2℃/min的降温速率冷却至200℃，然后自然冷却至室温，混合物用去离子水洗涤3次，得到初产物，将初产物于80℃干燥5小时，然后放入坩埚中，以10℃/min的升温速率，加热至750℃，保持10小时，以2℃/min的降温速率冷却至200℃，然后自然冷却至室温，得最终产物10，结构式为LiNi0.85Co0.1Al0.05O2。
实施例11
将2.7g产物7，0.15g导电碳，0.15g PVDF，3g NMP混合成均匀的浆料，涂覆在铝箔上，先在120摄氏度干燥10min，除去大部分NMP，然后120度真空干燥6h，得到涂覆材料的正极片，负极采用金属锂，电解液为1M LiPF6-EC(碳酸乙烯酯)/EMC(碳酸甲乙酯)＝3/7，组装成2032扣式电池，测电化学性能。
实施例12
将2.7g产物8，0.15g导电碳，0.15g PVDF，3g NMP混合成均匀的浆料，涂覆在铝箔上，先在120摄氏度干燥10min，除去大部分NMP，然后120度真空干燥6h，得到涂覆材料的正极片，负极采用金属锂，电解液为1M LiPF6-EC(碳酸乙烯酯)/EMC(碳酸甲乙酯)＝3/7，组装成2032扣式电池，测电化学性能。
实施例13
将2.7g产物10，0.15g导电碳，0.15g PVDF，3g NMP混合成均匀的浆料，涂覆在铝箔上，先在120摄氏度干燥10min，除去大部分NMP，然后120度真空干燥6h，得到涂覆材料的正极片，负极采用金属锂，电解液为1M LiPF6-EC(碳酸乙烯酯)/EMC(碳酸甲乙酯)＝3/7，组装成2032扣式电池，测电化学性能。
对比例1
将2.7g产物2，0.15g导电碳，0.15g PVDF，3g NMP混合成均匀的浆料，涂覆在铝箔上，先在120摄氏度干燥10min，除去大部分NMP，然后120度真空干燥6h，得到涂覆材料的正极片，负极采用金属锂，电解液为1M LiPF6-EC(碳酸乙烯酯)/EMC(碳酸甲乙酯)＝3/7，组装成2032扣式电池，测电化学性能。
对比例2
将2.7g商品料镍钴锰酸锂(LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2)，0.15g导电碳，0.15g PVDF，3gNMP混合成均匀的浆料，涂覆在铝箔上，先在120摄氏度干燥10min，除去大部分NMP，然后120度真空干燥6h，得到涂覆材料的正极片，负极采用金属锂，电解液为1M LiPF6-EC(碳酸乙烯酯)/EMC(碳酸甲乙酯)＝3/7，组装成2032扣式电池，测电化学性能。
用蓝电电池测试仪对材料的循环稳定性进行测试，测试条件为：先0.1C的倍率充电/放电循环3次，然后1C的倍率充电/放电循环80次。表1表示比容量值(0.1C)和80次循环容量保持率结果。作为回收三元电极材料的镍钴锰酸锂(LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2)(对比例1)由于经历了长循环，比容量仅剩149mAh/g，在循环80次后容量保持率为66％。而经过本发明的方法将作为回收三元电极材料的镍钴锰酸锂(LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2)处理后，比容量恢复到165mAh/g，在循环80次后容量保持率为83％，容量保持率接近多晶商品料(对比例2)。并且本发明中的其他实施例所获得的三元电极材料的电化学性能也达到了商品料的性能。
表1实施例11-13和对比例1-2的实际比容量和80次循环后容量保持率
Figure BDA0002281022420000071
另外，虽然在上述实施例中，均采用了10℃/min的升温速率，但是本发明并不限于此，该升温速率能根据加热炉的性能等进行适当选择。
另外，虽然在上述实施方式以及实施例中，在保持第一加热时间之后，以第一冷却速率冷却至第一冷却温度后，自然冷却至室温，并且，在保持第二加热时间之后，以第二冷却速率冷却至第二冷却温度后，自然冷却至室温，但是也可以以任意的冷却速率直接冷却至室温。
另外，本发明包含各种变形例，并不限定于上述实施例。上述实施例是为了以易于理解的方式说明本发明所作的详细说明，并非一定限定于具备说明过的所有构成。此外，也可以将某一实施例的构成的一部分替换为其他实施例的构成。此外，也可以对某一实施例的构成加入其他实施例的构成。此外，也可以对各实施例的构成的一部分进行其他构成的追加、删除、替换。

Claims (10)

1.一种三元电极材料的回收方法，其特征在于，包括以下步骤：
拆解废旧三元电池，获取正极片；
加热处理所述正极片，获取回收三元电极材料；
将所述回收三元电极材料与含锂化合物、无机盐熔盐混合均匀，加热至第一加热温度，并保持第一加热时间，随后冷却至室温；
用水洗涤后干燥；
加热至第二加热温度，并保持第二加热时间，随后冷却至室温。
2.如权利要求1所述的三元电极材料的回收方法，其特征在于，
所述回收三元电极材料、含锂化合物、无机盐熔盐的摩尔比为1：c：d，其中c≤1，d/(1+c+d)≤0.22。
3.如权利要求1所述的三元电极材料的回收方法，其特征在于，
所述无机盐熔盐为Li2SO4、Na2SO4、K2SO4、Rb2SO4、Cs2SO4、LiF、LiCl、NaCl、KCl、RbCl、CsCl、BaCl2、CaCl、Li2CO3、Na2CO3、K2CO3、LiNO3、NaNO3、LiOH、NaOH、KOH中的一种或以任意比例混合的多种。
4.如权利要求1所述的三元电极材料的回收方法，其特征在于，
所述含锂化合物为氢氧化锂。
5.如权利要求1所述的三元电极材料的回收方法，其特征在于，
所述第一加热温度为800～1000℃。
6.如权利要求1所述的三元电极材料的回收方法，其特征在于，
所述第二加热温度为450℃-750℃。
7.如权利要求1所述的三元电极材料的回收方法，其特征在于，
所述第一加热时间为5-20小时，
所述第二加热时间为5-20小时。
8.如权利要求1-7中的任一项所述的三元电极材料的回收方法，其特征在于，
在保持第一加热时间之后，以第一冷却速率冷却至第一冷却温度后，自然冷却至室温，
在保持第二加热时间之后，以第二冷却速率冷却至第二冷却温度后，自然冷却至室温。
9.如权利要求8所述的三元电极材料的回收方法，其特征在于，
所述第一冷却温度为200℃，所述第二冷却温度为200℃。
10.如权利要求8所述的三元电极材料的回收方法，其特征在于，
所述第一冷却速率为2℃/min，所述第二冷却速率为2℃/min。
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