CN114899522B - 一种废旧三元软包锂电池的处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电池回收处理技术领域，具体公开一种废旧三元软包锂电池的处理方法。本发明提供的废旧三元软包锂电池的处理方法，通过特定条件的低温烘烤实现了电解液的充分回收，且避免电解液与电极材料发生反应，保证了电极液与正负极材料的回收率和回收纯度；通过无氧热解的方式，有效提高了电流集流体上正负极粉的脱附率，提高了正负极粉的回收率；进一步通过高温还原冶炼实现了正负极粉中镍钴锰金属化合物还原为金属单质，将无氧热解中的碳粉通过简单工艺去除，保证了回收金属的纯度，简化了处理工艺。本发明实现了废旧三元软包锂电池中的电解液、正负极粉、外壳和铜铝等有价组分高效回收，且不会产生二次污染，具有较高的推广应用价值。

Description

一种废旧三元软包锂电池的处理方法
技术领域
本发明涉及电池回收处理技术领域，尤其涉及一种废旧三元软包锂电池的处理方法。
背景技术
随着新能源汽车保有量的持续提升，动力电池装机量逐渐增长，我国后续将面临大规模动力电池退役，因此，在未来几年我国动力电池的回收利用将面临需求井喷。据统计，2020年全国动力电池累计退役量可达20万吨，2025年累计退役量预估可达78万吨，因此，电池材料的回收和资源化再生研究得到了广泛关注。
目前，国内废旧电池回收主要是湿法冶炼工艺：先用无机酸浸出电极活性材料得到浸出液，沉淀除铁铝，然后加碱控制不同的pH值得到单一金属对应的沉淀物，最后进行锂的回收，虽然该方法可实现对废旧三元锂离子电池的回收，但存在产品纯度不高的问题，且酸浸出过程中产生不易降解的无机酸废水造成二次污染的问题。有文献报道，将废旧软包锂电池以串联、并联或混联的方式，接入负载电阻加以放电，通过剖开铝塑膜收集电解液；在破碎后利用隔膜较轻，采用风选提前加以分离；进一步利用铝塑膜密度相对较低，采用跳汰分选配合湿法筛分进行分离；最后将剩余物质经烘干、粉碎处理，通过筛选分级和比重分选的方式实现全部有价物质的有效分离。该工艺需要对电池进行放电处理，极大地降低了电池的处理效率，同时得到的正负极粉还需要进一步的处理，在处理过程需要引入大量的药剂和水源，导致电池材料中金属提纯成本高。因此，有必要研发一种高效低廉、环保的废旧锂电池全组分回收再利用方法，提高电池中金属材料的回收率和回收纯度。
发明内容
针对现有废旧锂离子电池的回收方法存在的上述问题，本发明提供一种废旧三元软包锂电池的处理方法，该方法实现了将废旧三元软包锂电池中的电解液、正负极粉、外壳和镍钴锰、铜铝等有价组分的高效分选回收，并可将粘结剂和塑料隔膜等无价成分进行无污化处理，实现了废旧三元软包锂电池有价组分的资源化回收利用，且不会产生二次污染。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：
一种废旧三元软包锂电池的处理方法，包括以下步骤：
步骤a、将废旧三元软包锂电池在负压条件下进行切边，将切边后的电池先于70℃-80℃烘烤5min-10min，然后于50℃-60℃烘烤15min-20min，收集电解液蒸汽，冷凝，得回收电解液；
步骤b、将烘烤后的电池于惰性气氛下进行无氧热解，得热解后的电池；
步骤c、将所述热解后的电池以100℃/min-200℃/min速率进行冷却，将冷却后的电池破碎、筛分，分离出正负极粉料；然后将剩余的电池碎料风力分选，分离出电池外壳；最后将剩余物料碰撞破碎，得铜铝粉；
步骤d、将所述正负极粉料于800℃-1000℃进行高温冶炼，得镍钴锰合金，高温冶炼尾气进行收集处理。
相对于现有技术，本发明提供的废旧三元软包锂电池的处理方法，先将废旧三元软包锂电池在特定条件温度下进行烘烤处理，可充分回收电池中的电解液，且避免电解液与电极材料发生反应，从而保证了电解液的回收纯度，以及避免正负极材料的损失；然后将废旧锂电池进行无氧热解，使电池内部的有机组分转变为炭，经过特定速率的冷却，避免正负极材料、炭等组分在热解后发生副反应，进一步保证了正负极材料的回收率；进一步采用特定顺序的分离方法分离出正负极材料、电池外壳和铜铝粉，且将正负极材料进行高温冶炼还原，得到高纯度的镍钴锰合金，实现了有价组分的高效分选回收，并可将无价成分进行无污化处理，且不会产生二次污染，具有较高的实用价值。
需要说明的是，切边时要防止触碰电池内部的极片，切边的同时要收集挥发的电解液。
优选的，步骤a中，所述切边的尺寸为1mm~3mm。
优选的，步骤a中，所述负压的压力为-8Pa~-12Pa。
可选的，步骤a中，冷凝后的尾气进入尾气处理系统。
优选的，步骤b中，所述无氧热解的温度为450℃~650℃，时间为15min~30min。
优选的无氧热解条件，可使电池内的有机组分，如隔膜、粘结剂等充分热解转化为炭，使有机组分得到无污化处理，避免粘结剂等有机组分掺杂在正负极材料中。
示例性的，步骤b中，所述惰性气体为氩气、氮气或二氧化碳。
示例性的，步骤b中，无氧热解产生的废气进入尾气处理系统，实现达标排放。
优选的，步骤c中，所述破碎、筛分的方法为：先将冷却后的电池破碎成30mm以下的粗碎料，再将所述粗碎料经筛网目数为200目~300目的高频振动筛分离出正负极粉料。
优选的，步骤c中，所述风力分选的风速为2.7m3/h~5.0m3/h。
优选的，步骤c中，所述碰撞破碎的转速为2000r/min~3000r/min，所述铜铝粉的粒径为2mm~5mm。
优选的，步骤c还包括将所述铜铝粉加热至700℃~800℃，固液分离，得铝液和铜粉，铝液冷却得铝块。
优选的分选处理顺序以及分选处理参数，可有效分离出电池中的正负极材料、铜铝和镍钴锰、锂，使镍钴锰的回收率达98%以上，铜粉和铝粉的回收率达98%以上，且锂的回收率达95%以上。
本发明通过上述分选方法得到的正负极粉料的粒径在200目以下，铜铝粉的粒径在2mm~5mm，电池外壳的尺寸在10mm~20mm。
示例性的，步骤c中，将得到的电池外壳通过风选，分离出软包电池的铝塑壳。
优选的，步骤d中，所述高温冶炼的时间为20min~50min。
需要说明的是，步骤c中分离出的正负极材料中含有大量无氧热解产生的碳粉，在高温条件下，碳粉可作为还原剂将镍钴锰的化合物进行还原，得到镍钴锰合金，同时还能得到碳酸锂，实现了对锂的回收。
无氧热解步骤产生的碳粉掺杂在正负极材料很难采用常规方法去除，本发明巧妙地采用高温还原冶炼的方法，采用碳粉作为还原剂将镍钴锰化合物还原为镍钴锰单质，不但解决了无氧热解步骤产生的碳粉无法去除的问题，同时，还实现了回收的镍钴锰直接作为电池原料进行使用的目的。
步骤d中，高温冶炼发生的还原反应如下：
LiCoO2 + 3C = Li2CO3 + Co +CO2
LiNiO2 + 3C = Li2CO3 + Ni +CO2
LiMnO2 + 3C = Li2CO3 + Mn +CO2
优选的，步骤d中，将高温冶炼所得物料进行水洗，固液分离，得碳酸锂溶液和镍钴锰合金，将所述碳酸锂溶液蒸发结晶，得碳酸锂晶体。
进一步地，步骤d中，将高温冶炼尾气收集处理，捕捉尾气中含锂粉尘。
需要说明的是，将步骤a、步骤b和步骤d中产生的尾气进行汇总，送入尾气处理系统，采用尾气处理系统处理尾气的流程为：将尾气通入高温燃烧室中进行高温燃烧，然后将燃烧后的烟气进行冷却，再将冷却后的烟气送入布袋除尘器进行除尘，除尘后的烟气送入碱式喷淋塔除去其中的酸性气体，最后送入活性炭吸附塔除去有机废气，排放。
进一步地，高温燃烧室的温度控制为1000℃~2000℃。
进一步地，尾气进行高温燃烧后进行急冷，采用水循环间接冷却的方式，循环水量为50m3/h~80m3/h。
本发明提供的废旧三元软包锂电池的处理方法，通过特定条件的烘烤技术，实现了电解液的充分回收，且避免电解液与电极材料发生反应，保证了电极液与正负极材料的回收率和回收纯度；通过无氧热解的方式，有效提高了电流集流体上正负极粉的脱附率，提高了正负极粉的回收率；进一步通过高温还原冶炼实现了正负极粉中镍钴锰金属化合物还原为金属单质，将无氧热解中的碳粉通过简单工艺去除，保证了回收金属的纯度，简化了处理工艺。本发明实现了废旧三元软包锂电池中的电解液、正负极粉、外壳和铜铝等有价组分高效回收，并可将粘结剂和塑料隔膜等无价成分进行无污化处理，且不会产生二次污染，具有较高的推广应用价值。
附图说明
图1为实施例1中废旧三元软包锂离子电池的处理方法的工艺流程框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。
实施例1
一种废旧三元软包锂离子电池的处理方法：
步骤a、将收集到的废旧三元软包锂离子电池（80mm*200mm*5mm）送入切边工段中进行切边，控制切边工序的压力为-10Pa，切边尺寸1-3mm，切边的同时收集挥发的电解液；然后将经过切边后的电池先于75℃烘烤8min，然后于55℃烘烤17min，收集电解液蒸汽，冷凝，得回收电解液，将回收的电解液密封储存，未冷凝的气体进入尾气处理系统；
步骤b、将烘烤后的电池于氮气气氛下进行无氧热解，热解温度为550℃，时间为25min，得热解后的电池，无氧热解的废气进入尾气处理系统；
步骤c、将所述热解后的电池采用循环水间接冷却的方式进行急冷，冷却速率控制为150℃/min，待冷却至100℃以下，将冷却后的电池送至破碎机中破碎打散，得粒径30mm以下的粗碎料，将所述粗碎料经筛网目数为200目的高频振动筛分离出正负极粉；然后将剩余的电池碎料风力分选（风速3.5m3/h），分离出电池外壳混合物；最后将剩余物料送入高速旋转碰撞机进行破碎，转速2500r/min，得粒径2mm~5mm的铜铝粉；
电池外壳混合物后续再经风力分选分离出软包电池的铝塑壳；
铜铝粉于750℃进行高温冶炼，铝粉变成铝液倒出收集，冷却，得铝块，实现铝粉和铜粉的分离；
步骤d、将所得正负极粉料于900℃高温冶炼40min，得冶炼物料，将冶炼物料进行水洗，过滤，得镍钴锰合金和碳酸锂溶液，将所述碳酸锂溶液蒸发结晶，得碳酸锂晶体，高温冶炼尾气进行收集处理，捕捉尾气中含锂粉尘。
上述废旧三元软包锂离子电池的处理方法中，镍钴锰合金中铜铝含量≤2.0%，镍钴锰的回收98.6%；碳酸锂的回收率95.7%，纯度99.1%；铜的回收率98.5%，纯度95.4%；铝的回收率98.6%，纯度96.5%。
实施例2
一种废旧三元软包锂离子电池的处理方法：
步骤a、将收集到的废旧三元软包锂离子电池（80mm*500mm*3mm）送入切边工段中进行切边，控制切边工序的压力为-12Pa，切边尺寸1mm，切边的同时收集挥发的电解液；然后将经过切边后的电池先于80℃烘烤5min，然后于50℃烘烤20min，收集电解液蒸汽，冷凝，得回收电解液，将回收的电解液密封储存，未冷凝的气体进入尾气处理系统；
步骤b、将烘烤后的电池于氮气气氛下进行无氧热解，热解温度为450℃，时间为30min，得热解后的电池，无氧热解的废气进入尾气处理系统；
步骤c、将所述热解后的电池采用循环水间接冷却的方式进行急冷，冷却速率控制为100℃/min，待冷却至100℃以下，将冷却后的电池送至破碎机中破碎打散，得粒径30mm以下的粗碎料，将所述粗碎料经筛网目数为300目的高频振动筛分离出正负极粉；然后将剩余的电池碎料风力分选（风速5.0m3/h），分离出电池外壳混合物；最后将剩余物料送入高速旋转碰撞机进行破碎，转速2000r/min，得粒径2mm~5mm的铜铝粉；
电池外壳混合物后续再经风力分选分离出软包电池的铝塑壳；
铜铝粉于800℃进行高温冶炼，铝粉变成铝液倒出收集，冷却，得铝块，实现铝粉和铜粉的分离；
步骤d、将所得正负极粉料于1000℃高温冶炼20min，得冶炼物料，将冶炼物料进行水洗，过滤，得镍钴锰合金和碳酸锂溶液，将所述碳酸锂溶液蒸发结晶，得碳酸锂晶体，高温冶炼尾气进行收集处理，捕捉尾气中含锂粉尘。
上述废旧三元软包锂离子电池的处理方法中，镍钴锰合金中铜铝含量≤2.0%，镍钴锰的回收98.4%；碳酸锂的回收率95.3%，纯度98.9%；铜的回收率98.1%，纯度94.8%；铝的回收率98.2%，纯度96.3%。
实施例3
一种废旧三元软包锂离子电池的处理方法：
步骤a、将收集到的废旧三元软包锂离子电池（50mm*160mm*8mm）送入切边工段中进行切边，控制切边工序的压力为-8Pa，切边尺寸3mm，切边的同时收集挥发的电解液；然后将经过切边后的电池先于70℃烘烤10min，然后于60℃烘烤15min，收集电解液蒸汽，冷凝，得回收电解液，将回收的电解液密封储存，未冷凝的气体进入尾气处理系统；
步骤b、将烘烤后的电池于氮气气氛下进行无氧热解，热解温度为650℃，时间为15min，得热解后的电池，无氧热解的废气进入尾气处理系统；
步骤c、将所述热解后的电池采用循环水间接冷却的方式进行急冷，冷却速率控制为200℃/min，待冷却至100℃以下，将冷却后的电池送至破碎机中破碎打散，得粒径30mm以下的粗碎料，将所述粗碎料经筛网目数为300目的高频振动筛分离出正负极粉；然后将剩余的电池碎料风力分选（风速2.7m3/h），分离出电池外壳混合物；最后将剩余物料送入高速旋转碰撞机进行破碎，转速3000r/min，得粒径2mm~5mm的铜铝粉；
电池外壳混合物后续再经风力分选分离出软包电池的铝塑壳；
铜铝粉于700℃进行高温冶炼，铝粉变成铝液倒出收集，冷却，得铝块，实现铝粉和铜粉的分离；
步骤d、将所得正负极粉料于800℃高温冶炼50min，得冶炼物料，将冶炼物料进行水洗，过滤，得镍钴锰合金和碳酸锂溶液，将所述碳酸锂溶液蒸发结晶，得碳酸锂晶体，高温冶炼尾气进行收集处理，捕捉尾气中含锂粉尘。
上述废旧三元软包锂离子电池的处理方法中，镍钴锰合金中铜铝含量≤2.0%，镍钴锰的回收98.0%；碳酸锂的回收率95.5%，纯度98.7%；铜的回收率98.2%，纯度94.6%；铝的回收率97.9%，纯度96.4%。
上述实施例1-3中，将将步骤a、步骤b和步骤d中产生的尾气进行汇总，送入尾气处理系统，采用尾气处理系统处理尾气的流程为：将尾气通入高温燃烧室中于1000℃~2000℃进行高温燃烧，然后将燃烧后的烟气采用水循环间接冷却的方式进行急冷，循环水量为50m3/h~80m3/h，再将冷却后的烟气送入布袋除尘器进行除尘，除尘后的烟气送入碱式喷淋塔除去其中的酸性气体，最后送入活性炭吸附塔除去有机废气，达标排放。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种废旧三元软包锂电池的处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a、将废旧三元软包锂电池在负压条件下进行切边，将切边后的电池先于70℃-80℃烘烤5min-10min，然后于50℃-60℃烘烤15min-20min，收集电解液蒸汽，冷凝，得回收电解液；
步骤b、将烘烤后的电池于惰性气氛下进行无氧热解，得热解后的电池；所述无氧热解的温度为450℃~650℃，时间为15min~30min；
步骤c、将所述热解后的电池以100℃/min-200℃/min速率进行冷却，将冷却后的电池破碎、筛分，分离出正负极粉料；然后将剩余的电池碎料风力分选，分离出电池外壳；最后将剩余物料碰撞破碎，得铜铝粉；
步骤d、将所述正负极粉料于800℃-1000℃进行高温冶炼，得镍钴锰合金，高温冶炼尾气进行收集处理；
步骤d中，将高温冶炼所得物料进行水洗，固液分离，得碳酸锂溶液和镍钴锰合金，将所述碳酸锂溶液蒸发结晶，得碳酸锂晶体。
2.如权利要求1所述的废旧三元软包锂电池的处理方法，其特征在于，步骤a中，所述切边的尺寸为1mm~3mm。
3.如权利要求1或2所述的废旧三元软包锂电池的处理方法，其特征在于，步骤a中，所述负压的压力为-8Pa~-12Pa。
4.如权利要求1所述的废旧三元软包锂电池的处理方法，其特征在于，步骤c中，所述破碎、筛分的方法为：先将冷却后的电池破碎成30mm以下的粗碎料，再将所述粗碎料经筛网目数为200目~300目的高频振动筛分离出正负极粉料。
5.如权利要求1所述的废旧三元软包锂电池的处理方法，其特征在于，步骤c中，所述风力分选的风速在2.7m3/h~5.0m3/h；和/或
步骤c中，所述碰撞破碎的转速为2000r/min~3000r/min，所述铜铝粉的粒径为2mm~5mm。
6.如权利要求1所述的废旧三元软包锂电池的处理方法，其特征在于，步骤c还包括将所述铜铝粉加热至700℃~800℃，固液分离，得铝液和铜粉，铝液冷却得铝块。
7.如权利要求1所述的废旧三元软包锂电池的处理方法，其特征在于，步骤d中，所述高温冶炼的时间为20min~50min。
8.如权利要求1所述的废旧三元软包锂电池的处理方法，其特征在于，步骤d中，所述高温冶炼尾气的处理方法为：将高温冶炼尾气通入高温燃烧室中进行高温燃烧，然后将燃烧后的烟气进行冷却，再将冷却后的烟气送入布袋除尘器进行除尘，除尘后的烟气送入碱式喷淋塔除去其中的酸性气体，最后送入活性炭吸附塔除去有机废气，排放。
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