CN116581417A - 一种废旧磷酸铁锂正极材料的固相修复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种废旧磷酸铁锂正极材料的固相修复方法，属于锂离子电池技术领域。包括如下步骤：将废旧锂离子电池以0.1C倍率放电至2.5V以下，拆解，得到正极极片。该发明利用高温固相烧结法直接修复磷酸铁锂正极材料具有简单高效的优点，避免了传统火法和湿法回收过程中的复杂过程操作与过高的能耗，提供了产业化路线的可能，降低了回收成本；本发明提供的方法针对磷酸铁锂材料在微观结构的失效情况实现了针对性修复，使晶体结构、表面化学成分、碳涂层包覆情况和活性锂含量都得到了修复，使电化学性能得到提升，修复后的材料循环性能、倍率性能都有了极大的提升；本发明具有修复效果好，操作流程简单和成本低的优点。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池领域，具体而言，涉及一种废旧磷酸铁锂正极材料的固相修复方法。
背景技术
锂离子电池以其高能量密度、高比容量、自放电低、无记忆效应和长循环寿命等优点占领了动力电池市场。磷酸铁锂正极材料以其低廉的成本和稳定的化学特性成为主流正极材料的一种。废旧磷酸铁锂正极材料的回收主要分为两步，一是分离活性物质和集流体，二是对活性物质进行回收再利用。目前将活性物质分离出来有四种方法，物理剥离法、有机溶剂分离法、热处理法和碱性溶液法。预处理方法对于后续材料的性能影响很大。
回收再利用主要分为两种，分别是回收材料中的金属元素和直接修复。对于失效正极材料的修复再生方法有固相修复、水热补锂、碳热还原和电化学修复等，固相修复法具有成本低、易操作、流程短和简便的优点，最有希望产业化。
目前，伴随着电池产量的增加，退役锂离子电池的数量也急剧上升，为了有效回收或再利用锂离子电池中有价值的部分，有必要开发出一种可工业化并有经济收益的磷酸铁锂正极材料修复再生方法，并且现有的通过传统火法和湿法回收，会造成复杂的过程操作与过高的能耗，导致回收成本增加。
如何发明一种废旧磷酸铁锂正极材料的固相修复方法来改善这些问题，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
为了弥补以上不足，本发明提供了一种废旧磷酸铁锂正极材料的固相修复方法，旨在改善操作复杂能耗过高的问题。
本发明是这样实现的：
本发明提供一种废旧磷酸铁锂正极材料的固相修复方法，包括如下步骤：
将废旧锂离子电池以0.1C倍率放电至2.5V以下，拆解，得到正极极片；
将废旧磷酸铁锂正极极片裁剪，然后加入NMP的烧杯中，置于水浴锅加热搅拌以去除粘结剂PVDF，然后使用超声振动，使磷酸铁锂粉末和集流体分离；
将上一步骤获得的废旧磷酸铁锂正极材料使用无水乙醇洗涤，离心后放置于真空干燥箱中干燥，得到处理后的磷酸铁锂粉末。
将上一步骤获得的待修复磷酸铁锂材料进行研磨处理，然后使用200目、400目的筛网筛分去除杂质，获得粒径均匀的待修复磷酸铁锂粉末；
将经过上一步骤处理后的待修复磷酸铁锂粉末进行成分分析，确定铁、磷和锂元素的含量比例；
按比例补充待修复磷酸铁锂粉末缺失的锂元素和碳源，球磨均匀混合后，在氩气或氢气或氢氩混合气气体条件下进行高温煅烧处理；
高温煅烧处理结束后，冷却至室温，去除黑色固体后进行研磨，使用200目、400目的筛网筛分，获得修复后的磷酸铁锂正极材料。
优选的，加入NMP的烧杯中的固液比为1:10。
优选的，水浴锅的温度为80℃，加热搅拌时间为2h，然超声振动的时间为10min。
优选的，真空干燥箱的温度为80℃，干燥时间为12h。
优选的，按比例补充待修复磷酸铁锂粉末缺失的锂元素和碳源，该比例按照锂与铁摩尔量比为1.05：1的比例补充Li2CO3和15％质量浓度的蔗糖。
优选的，球磨均匀处理8h使待修复磷酸铁锂粉末与补充物料均匀混合，以乙醇为分散剂，且球磨的转速为400rpm。
优选的，在氩气或氢气或氢氩混合气气体条件下进行高温煅烧处理，高温煅烧过程为：温度为350℃保温3.5h，然后升温至600-700℃保温7h。
本发明的有益效果是：
本发明利用高温固相烧结法直接修复磷酸铁锂正极材料具有简单高效的优点，避免了传统火法和湿法回收过程中的复杂过程操作与过高的能耗，提供了产业化路线的可能，降低了回收成本；并且本发明提供的方法针对磷酸铁锂材料在微观结构的失效情况实现了针对性修复，使晶体结构、表面化学成分、碳涂层包覆情况和活性锂含量都得到了修复，使电化学性能得到提升，修复后的材料循环性能、倍率性能都有了极大的提升；本发明具有修复效果好，操作流程简单和成本低的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明实施方式提供的一种废旧磷酸铁锂正极材料的固相修复方法废旧LFP材料修复前后的XRD图；
图2是本发明实施方式提供的一种废旧磷酸铁锂正极材料的固相修复方法废旧LFP材料修复前后的小范围XRD图；
图3是本发明实施方式提供的一种废旧磷酸铁锂正极材料的固相修复方法废旧LFP材料修复前后的拉曼谱图；
图4是本发明实施方式提供的一种废旧磷酸铁锂正极材料的固相修复方法废旧LFP材料修复前的扫描电镜图；
图5是本发明实施方式提供的一种废旧磷酸铁锂正极材料的固相修复方法废旧LFP材料修复后的扫描电镜图；
图6是本发明实施方式提供的一种废旧磷酸铁锂正极材料的固相修复方法废旧LFP材料修复前后的首圈充放电曲线图；
图7是本发明实施方式提供的一种废旧磷酸铁锂正极材料的固相修复方法废旧LFP材料修复前后的倍率性能图；
图8是本发明实施方式提供的一种废旧磷酸铁锂正极材料的固相修复方法废旧LFP材料修复前后的恒电流循环性能图；
图9是本发明实施方式提供的一种废旧磷酸铁锂正极材料的固相修复方法废旧LFP材料修复前后的交流阻抗谱图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
实施例一
一种废旧磷酸铁锂正极材料的固相修复方法，包括如下步骤：
步骤一：将废旧锂离子电池以0.1C倍率放电至2.5V以下，拆解，得到正极极片；
步骤二：将废旧磷酸铁锂正极极片裁剪成任意形状任意大小，然后以1:10的固液比加入NMP的烧杯中，置于水浴锅80℃加热搅拌2h以去除粘结剂PVDF，然后使用超声振动10min，使磷酸铁锂粉末和集流体分离；
步骤三：将上一步骤获得的废旧磷酸铁锂正极材料使用无水乙醇洗涤，离心后放置于80℃的真空干燥箱中干燥12h，得到处理后的磷酸铁锂粉末。
步骤四：将上一步骤获得的待修复磷酸铁锂材料进行研磨处理，然后使用200目、400目的筛网筛分去除杂质，获得粒径均匀的待修复磷酸铁锂粉末；
步骤五：将经过上一步骤处理后的待修复磷酸铁锂粉末进行成分分析，确定铁、磷和锂元素的含量比例；
步骤六：按比例补充待修复磷酸铁锂粉末缺失的锂元素和碳源，该比例按照锂与铁摩尔量比为1.05：1的比例补充Li2CO3和15％质量浓度的蔗糖，处理8h使待修复磷酸铁锂粉末与补充物料球磨均匀混合后，且球磨的转速为400rpm，在条件下进行高温煅烧处理，高温煅烧过程为：温度为350℃保温3.5h，然后升温至600-700℃保温7h；
步骤七：高温煅烧处理结束后，冷却至室温，去除黑色固体后进行研磨，使用200目、400目的筛网筛分，获得修复后的磷酸铁锂正极材料。
实施例二：
参照图1-9，一种废旧磷酸铁锂正极材料的固相修复方法，包括如下步骤：
步骤一：将老化废旧磷酸铁锂电池以0.1C倍率放电至2.5V以下，拆解，除去外壳；
步骤二：将正负极片分离，在80℃的温度下用N-甲基吡咯烷酮浸泡搅拌正极片2h，除去粘结剂，剥离出正极材料，离心后烘干获得废旧磷酸铁锂正极材料；
步骤三：将步骤二中获得的废旧磷酸铁锂正极材料用无水乙醇洗涤3次，离心后烘干获得待修复的磷酸铁锂材料；
步骤四：将待修复的磷酸铁锂材料研磨30min，用200目、400目的筛网筛分去除杂质，获得粒径均匀的待修复磷酸铁锂粉末；
步骤五：将废旧磷酸铁锂材料溶解到王水中进行成分分析，确定锂(Li)、铁(Fe)、磷(P)元素的含量比例；
步骤六：按照锂与铁摩尔量比为1.05：1的比例补充Li2CO3和15％质量浓度的蔗糖，球磨8h混合后氩气气氛进行高温煅烧，反应条件是温度为350℃保温3.5h，然后升温至650℃保温7h。
步骤七：反应完毕后，将管式炉冷却至室温，去除黑色固体进行研磨，使用200目、400目的筛网筛分，即得到修复后的磷酸铁锂正极材料。
对修复前后的老化磷酸铁锂正极材料进行表征并比较，结果由图1-4所示：图1为本实例所修复的废旧LFP材料前后的XRD对比图，表明修复前出现的FePO4杂质峰已还原成LiFePO4材料；图2为拉曼对比图，说明未修复LFP材料表面的碳涂层包覆情况得到了修复，不再出现PO42-的振动峰；图3和图4显示出修复前后的材料的形貌；结合图5可知修复后的磷酸铁锂材料制得的锂离子电池在0.1C电流密度下的首圈放电比容量从129.68mAh/g提升到147.65mAh/g，由图6可知修复后的磷酸铁锂材料表现出了良好的倍率性能由83.24mAh·g-1提升到了106.65mAh·g-1；由图7可知修复后磷酸铁锂材料制得的锂离子电池在1C电流密度下循环500圈的容量保持在126.85mAh·g-1；由图8可知修复后的磷酸铁锂材料传荷阻抗值得到了降低；修复前后的元素含量测试如下表：
表1-1LiFePO4材料经固相修复前后的元素含量测试表
表1-2LiFePO4材料经固相修复前后的元素含量测试表
需要说明的是，表1-2内-6.64％为何为负数，因为在表1-2内，此列表示的为缺锂量，而当修复后并不存在锂元素丢失的情况，并且生成了多余的锂元素，此时修复后的缺锂量应当为负数，即表示为修复后材料内锂元素的量相对于修复前增加了6.64％，即修复后材料内的锂元素含量为106.64％；
表1-3LiFePO4材料经固相修复前后的元素含量测试表
实施例三：
本实施例与实施例二区别仅在于：步骤六中所述的第二段保温温度为700℃，其余操作步骤与实施例二相同，其步骤如下：
步骤一：将老化废旧磷酸铁锂电池以0.1C倍率放电至2.5V以下，拆解，除去外壳；
步骤二：将正负极片分离，在80℃的温度下用N-甲基吡咯烷酮浸泡搅拌正极片2h，除去粘结剂，剥离出正极材料，离心后烘干获得废旧磷酸铁锂正极材料；
步骤三：将步骤二中获得的废旧磷酸铁锂正极材料用无水乙醇洗涤3次，离心后烘干获得待修复的磷酸铁锂材料；
步骤四：将待修复的磷酸铁锂材料研磨30min，用200目、400目的筛网筛分去除杂质，获得粒径均匀的待修复磷酸铁锂粉末；
步骤五：将废旧磷酸铁锂材料溶解到王水中进行成分分析，确定锂(Li)、铁(Fe)、磷(P)元素的含量比例；
步骤六：按照锂与铁摩尔量比为1.05：1的比例补充Li2CO3和15％质量浓度的蔗糖，球磨8h混合后氩气气氛进行高温煅烧，反应条件是温度为350℃保温3.5h，然后升温至700℃保温7h。
步骤七：反应完毕后，将管式炉冷却至室温，去除黑色固体进行研磨，使用200目、400目的筛网筛分，即得到修复后的磷酸铁锂正极材料。
修复前后的元素含量测试如下表：
表2LiFePO4材料经固相修复前后的元素含量测试表
实施例四：
本实施例与实施例二区别仅在于：步骤六中所述的第二段保温温度为600℃，其余操作步骤与实施例二相同，其步骤如下：
步骤一：将老化废旧磷酸铁锂电池以0.1C倍率放电至2.5V以下，拆解，除去外壳；
步骤二：将正负极片分离，在80℃的温度下用N-甲基吡咯烷酮浸泡搅拌正极片2h，除去粘结剂，剥离出正极材料，离心后烘干获得废旧磷酸铁锂正极材料；
步骤三：将步骤二中获得的废旧磷酸铁锂正极材料用无水乙醇洗涤3次，离心后烘干获得待修复的磷酸铁锂材料；
步骤四：将待修复的磷酸铁锂材料研磨30min，用200目、400目的筛网筛分去除杂质，获得粒径均匀的待修复磷酸铁锂粉末；
步骤五：将废旧磷酸铁锂材料溶解到王水中进行成分分析，确定锂(Li)、铁(Fe)、磷(P)元素的含量比例；
步骤六：按照锂与铁摩尔量比为1.05：1的比例补充Li2CO3和15％质量浓度的蔗糖，球磨8h混合后氩气气氛进行高温煅烧，反应条件是温度为350℃保温3.5h，然后升温至600℃保温7h。
步骤七：反应完毕后，将管式炉冷却至室温，去除黑色固体进行研磨，使用200目、400目的筛网筛分，即得到修复后的磷酸铁锂正极材料。
修复前后的元素含量测试如下表：
表3LiFePO4材料经固相修复前后的元素含量测试表
实施例五：
本实施例与实施例二区别仅在于：步骤六中所述添加的锂源为LiOH，其余操作步骤与实施例二相同，其步骤如下：
步骤一：将老化废旧磷酸铁锂电池以0.1C倍率放电至2.5V以下，拆解，除去外壳；
步骤二：将正负极片分离，在80℃的温度下用N-甲基吡咯烷酮浸泡搅拌正极片2h，除去粘结剂，剥离出正极材料，离心后烘干获得废旧磷酸铁锂正极材料；
步骤三：将步骤二中获得的废旧磷酸铁锂正极材料用无水乙醇洗涤3次，离心后烘干获得待修复的磷酸铁锂材料；
步骤四：将待修复的磷酸铁锂材料研磨30min，用200目、400目的筛网筛分去除杂质，获得粒径均匀的待修复磷酸铁锂粉末；
步骤五：将废旧磷酸铁锂材料溶解到王水中进行成分分析，确定锂(Li)、铁(Fe)、磷(P)元素的含量比例；
步骤六：按照锂与铁摩尔量比为1.05：1的比例补充LiOH和15％质量浓度的蔗糖，球磨8h混合后氩气气氛进行高温煅烧，反应条件是温度为350℃保温3.5h，然后升温至650℃保温7h。
步骤七：反应完毕后，将管式炉冷却至室温，去除黑色固体进行研磨，使用200目、400目的筛网筛分，即得到修复后的磷酸铁锂正极材料。
修复前后的元素含量测试如下表：
表4LiFePO4材料经固相修复前后的元素含量测试表
实施例六：
本实施例与实施例二区别仅在于：步骤六中所述添加的锂源为LiF，其余操作步骤与实施例二相同，其步骤如下：
步骤一：将老化废旧磷酸铁锂电池以0.1C倍率放电至2.5V以下，拆解，除去外壳；
步骤二：将正负极片分离，在80℃的温度下用N-甲基吡咯烷酮浸泡搅拌正极片2h，除去粘结剂，剥离出正极材料，离心后烘干获得废旧磷酸铁锂正极材料；
步骤三：将步骤二中获得的废旧磷酸铁锂正极材料用无水乙醇洗涤3次，离心后烘干获得待修复的磷酸铁锂材料；
步骤四：将待修复的磷酸铁锂材料研磨30min，用200目、400目的筛网筛分去除杂质，获得粒径均匀的待修复磷酸铁锂粉末；
步骤五：将废旧磷酸铁锂材料溶解到王水中进行成分分析，确定锂(Li)、铁(Fe)、磷(P)元素的含量比例；
步骤六：按照锂与铁摩尔量比为1.05：1的比例补充LiF和15％质量浓度的蔗糖，球磨8h混合后氩气气氛进行高温煅烧，反应条件是温度为350℃保温3.5h，然后升温至650℃保温7h。
步骤七：反应完毕后，将管式炉冷却至室温，去除黑色固体进行研磨，使用200目、400目的筛网筛分，即得到修复后的磷酸铁锂正极材料。
修复前后的元素含量测试如下表：
表5LiFePO4材料经固相修复前后的元素含量测试表
实施例七：
本实施例与实施例二区别仅在于：步骤六中所述添加的锂源为LiH2PO4，其余操作步骤与实施例二相同，其步骤如下：
步骤一：将老化废旧磷酸铁锂电池以0.1C倍率放电至2.5V以下，在氩气、氢气、氢氧混合气保护下进行拆解，除去外壳；
步骤二：将正负极片分离，在80℃的温度下用N-甲基吡咯烷酮浸泡搅拌正极片2h，除去粘结剂，剥离出正极材料，离心后烘干获得废旧磷酸铁锂正极材料；
步骤三：将步骤二中获得的废旧磷酸铁锂正极材料用无水乙醇洗涤3次，离心后烘干获得待修复的磷酸铁锂材料；
步骤四：将待修复的磷酸铁锂材料研磨30min，用200目、400目的筛网筛分去除杂质，获得粒径均匀的待修复磷酸铁锂粉末；
步骤五：将废旧磷酸铁锂材料溶解到王水中进行成分分析，确定锂(Li)、铁(Fe)、磷(P)元素的含量比例；
步骤六：按照锂与铁摩尔量比为1.05：1的比例补充LiH2PO4和15％质量浓度的蔗糖，球磨8h混合后氩气气氛进行高温煅烧，反应条件是温度为350℃保温3.5h，然后升温至650℃保温7h。
步骤七：反应完毕后，将管式炉冷却至室温，去除黑色固体进行研磨，使用200目、400目的筛网筛分，即得到修复后的磷酸铁锂正极材料。
修复前后的元素含量测试如下表：
表6LiFePO4材料经固相修复前后的元素含量测试表
实施例八：
本实施例与实施例二区别仅在于：步骤六中所述的碳源不添加，其余操作步骤与实施例二相同，其步骤如下：
步骤一：将老化废旧磷酸铁锂电池以0.1C倍率放电至2.5V以下，拆解，除去外壳；
步骤二：将正负极片分离，在80℃的温度下用N-甲基吡咯烷酮浸泡搅拌正极片2h，除去粘结剂，剥离出正极材料，离心后烘干获得废旧磷酸铁锂正极材料；
步骤三：将步骤二中获得的废旧磷酸铁锂正极材料用无水乙醇洗涤3次，离心后烘干获得待修复的磷酸铁锂材料；
步骤四：将待修复的磷酸铁锂材料研磨30min，用200目、400目的筛网筛分去除杂质，获得粒径均匀的待修复磷酸铁锂粉末；
步骤五：将废旧磷酸铁锂材料溶解到王水中进行成分分析，确定锂(Li)、铁(Fe)、磷(P)元素的含量比例；
步骤六：补充Li2CO3，球磨8h混合后氩气气氛进行高温煅烧，反应条件是温度为350℃保温3.5h，然后升温至650℃保温7h。
步骤七：反应完毕后，将管式炉冷却至室温，去除黑色固体进行研磨，使用200目、400目的筛网筛分，即得到修复后的磷酸铁锂正极材料。
修复前后的元素含量测试如下表：
表7LiFePO4材料经固相修复前后的元素含量测试表
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种废旧磷酸铁锂正极材料的固相修复方法，其特征在于，包括如下步骤：
将废旧锂离子电池以0.1C倍率放电至2.5V以下，拆解，得到正极极片；
将废旧磷酸铁锂正极极片裁剪，然后加入NMP的烧杯中，置于水浴锅加热搅拌以去除粘结剂PVDF，然后使用超声振动，使磷酸铁锂粉末和集流体分离；
将上一步骤获得的废旧磷酸铁锂正极材料使用无水乙醇洗涤，离心后放置于真空干燥箱中干燥，得到处理后的磷酸铁锂粉末。
2.将上一步骤获得的待修复磷酸铁锂材料进行研磨处理，然后使用200目、400目的筛网筛分去除杂质，获得粒径均匀的待修复磷酸铁锂粉末；
将经过上一步骤处理后的待修复磷酸铁锂粉末进行成分分析，确定铁、磷和锂元素的含量比例；
按比例补充待修复磷酸铁锂粉末缺失的锂元素和碳源，球磨均匀混合后，在氩气或氢气或氢氩混合气气体条件下进行高温煅烧处理；
高温煅烧处理结束后，冷却至室温，去除黑色固体后进行研磨，使用200目、400目的筛网筛分，获得修复后的磷酸铁锂正极材料。
3.根据权利要求1所述的一种废旧磷酸铁锂正极材料的固相修复方法，其特征在于，加入NMP的烧杯中的固液比为1:10。
4.根据权利要求1所述的一种废旧磷酸铁锂正极材料的固相修复方法，其特征在于，水浴锅的温度为80℃，加热搅拌时间为2h，然超声振动的时间为10min。
5.根据权利要求1所述的一种废旧磷酸铁锂正极材料的固相修复方法，其特征在于，真空干燥箱的温度为80℃，干燥时间为12h。
6.根据权利要求1所述的一种废旧磷酸铁锂正极材料的固相修复方法，其特征在于，按比例补充待修复磷酸铁锂粉末缺失的锂元素和碳源，该比例按照锂与铁摩尔量比为1.05：1的比例补充和15%质量浓度的蔗糖。
7.根据权利要求1所述的一种废旧磷酸铁锂正极材料的固相修复方法，其特征在于，球磨均匀处理8h使待修复磷酸铁锂粉末与补充物料均匀混合，以乙醇为分散剂，且球磨的转速为400rpm。
8.根据权利要求1所述的一种废旧磷酸铁锂正极材料的固相修复方法，其特征在于，在氩气或氢气或氢氩混合气气体条件下进行高温煅烧处理，高温煅烧过程为：温度为350℃保温3.5h，然后升温至600-700℃保温7h。
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