CN117415133A - 回收利用干电极膜的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种回收利用干电极膜的方法。更具体地，提供了一种用于回收利用干电极膜的方法，该方法通过对干电极膜生产过程中产生的废电极引入单独的处理步骤，可以生产出与使用新原料的干电极膜具有相同品质的干电极膜。用于回收利用干电极膜的方法包括：通过粉碎废电极获得待回收利用的废料；在上述回收利用的废料中，收集满足预设粉末流动指数的回收利用的材料；以及制备包括回收利用的材料的电极材料和使用该电极材料制造电极膜。

Description

回收利用干电极膜的方法
技术领域
本发明涉及一种用于回收利用干电极膜的方法。更具体地，本发明涉及一种干电极膜回收利用方法，该方法通过引入单独的处理步骤来处理干电极膜生产过程中产生的废电极而能够生产出与原料制成的干电极膜具有相同品质的回收利用的干电极膜。
背景技术
使用干法工艺的传统电极制造方法是已知的一种技术，即通过在不使用液体介质(如溶剂或分散介质)的情况下混合电极活性材料、粘合剂和导电材料来制备粉末混合物，然后将粉末混合物通过压辊来制造电极膜。
与现有的湿法工艺相比，这种用于电极膜制造的干法工艺在有效提高能量密度和降低投资成本方面受到关注，但仍有改进的空间。
另一方面，可以回收和再利用在制造干电极膜过程中由于材料缺
陷和工艺失败而产生的废电极，这在工业经济和环境方面将是非常理想的。
常规地，在回收利用废电极时，将废电极引入现有系统，而不考虑材料性质的变化。这带来了一个问题，即回收利用的材料(回收的废料)和新原料(新鲜原料)不能很好地混合，因此很难获得与仅由新鲜原料制成的产品具有相同品质的产品。
因此，在上述背景下，有必要开发一种方法来有效地回收利用在
制造干电极膜的过程中产生的废电极。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于回收利用干电极膜的方法，从而有效地回收利用在制造干电极膜的过程中产生的废电极。
本发明的目的不限于以上提及的目的。本发明的目的将从以下描述中变得更加明显，并将通过权利要求中描述的手段及其组合来实现。
根据本发明的用于回收利用干电极膜的方法包括：通过粉碎废电极获得待回收利用的废料；在废料中，收集满足预设粉末流动指数的回收利用的材料；以及制备包括所收集的回收利用的材料的电极材料和使用该电极材料制造电极膜。
在该方法中，在获得废料之前，可以进一步对新材料进行压延或压制以形成片材，并将片材的外围部分进行切割以产生电极膜和废电极。
新材料可以包括电极活性材料、导电材料和粘合剂。粘合剂可以为纤维粘合剂。
粘合剂可以选自包括聚四氟乙烯(PTFE)的粘合剂，其基本上由聚四氟乙烯(PTFE)制成，或者不一定使用聚四氟乙烯(PTFE)。
电极活性材料、导电材料和粘合剂可以在没有液体介质或分散介质的情况下混合。
获得废料可以通过使用选自辊磨机、球磨机、喷射磨机、行星式磨机和磨碎机中的至少一种来进行。
在获得废料时，废电极可以在1,000rpm至6,000rpm范围内的转速下粉碎等于或短于40分钟，优选10分钟至40分钟的持续时间。
粉末流动指数可以根据ASTM D6128的分析方法在外力在0至15kPa范围内的条件下测量。
当新材料的粉末流动指数值为“A”时，预设粉末流动指数可以在“A±0.02”的范围内。
当不满足预设粉末流动指数时，可以将回收利用的材料粉碎，进行粉末流动指数的测量，并收集。
使用电极材料制备电极膜可以包括压延或压制电极材料以形成片材，并通过切割片材的外围部分来制造电极膜。
电极材料可以仅由回收利用的材料制成。
电极材料可以由回收利用的材料和新材料制成。
电极膜的厚度可以在50μm至800μm的范围内，密度可以在10mg/cm2至60mg/cm2的范围内。
通过本发明的方法，通过引入处理干电极膜制造过程中产生的废电极的附加处理过程，使干电极膜具有与新鲜原料制成的干电极膜相同的品质。
此外，通过本发明的干电极膜制造方法，可以有效地回收利用在干电极膜制造过程中产生的废弃干电极膜，从而降低电极材料(如电极活性材料、粘合剂和导电材料)的原料成本。
如所讨论的，该方法和系统适当地包括使用控制器或处理器。
本发明的效果不限于以上提及的效果。应理解，本发明的效果包括可以从以下描述中推断出的所有效果。
附图说明
图1为显示根据本发明的一种用于回收利用干电极膜的方法的流程图；
图2为新原料(新鲜原料)和回收利用的材料(回收的废料)按工艺的状态变化的示意图；
图3A显示了活性材料、粘合剂和导电材料混合而成的粉末状的新原料(新鲜原料)的状态；
图3B显示了满足预设粉末流动指数的回收利用的材料(回收的废料)的状态；
图3C显示了不满足预设粉末流动指数的回收利用的材料(回收的废料)的状态；
图4A为使用新原料制造的电极的性能评估结果；以及
图4B为使用回收利用的材料(回收的废料)制造的电极的性能评估结果。
具体实施方式
通过以下结合附图的优选实施方案将易于理解本发明的上述目的、其它目的、特征以及优点。然而，本发明不限于本文描述的实施方案，而是可以以其它形式来体现。相反，提供本文所介绍的实施方案使得所公开的内容可以是透彻和完整的，并且可以将本发明的精神充分地传达给本领域技术人员。
在描述每个图时，相同的附图标记用于相同的元件。在附图中，为了使本发明清晰，结构的尺寸比实际尺寸放大了。诸如第一、第二等术语可用于描述不同的元件，但这些元件不应受到这些术语的限制。上述术语仅用于区分一个组件与另一个组件的目的。例如，在不偏离本发明范围的情况下，第一组件可以被称为第二组件，同样，第二组件也可以被称为第一组件。单数表述包括复数表述，除非上下文另有明确规定。
在本文中所用的术语仅是为了描述特定实施方案的目的，而并非旨在限制本发明。正如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“所述”旨在也包括复数形式，除非上下文另有清楚的说明。这些术语仅旨在将一个组件与另一组件区分开，所述术语并不限制这些组成组件的性质、次序或顺序。将进一步理解的是，当在本说明书中使用术语“包括”和/或“包含”时，其说明存在所述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是不排除存在或添加一个或多个其它的特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其组合。正如本文所述的，术语“和/或”包括一种或多种相关列举项目的任何和所有组合。在整个说明书中，除非明确地相反描述，术语“包括”和变化形式例如“包含”或“包括有”应被理解为暗示包含所述元件但是不排除任何其它元件。此外，在说明书中描述的术语“单元”，“器件”，“组件”和“模块”意为用于执行至少一个功能和操作的单元，并且可以由硬件组件或者软件组件以及它们的组合来实现。
虽然示例性实施方案被描述为使用多个单元来执行示例性的过程，但是应理解的是示例性的过程也可以由一个或多个模块来执行。此外，应理解的是术语控制器/控制单元是指包括存储器和处理器的硬件装置，并且被具体编程为执行本文所述的过程。该储存器被配置为储存模块，而处理器被专门配置为执行所述模块以执行以下进一步描述的一个或多个过程。
此外，本申请的控制逻辑可以实施为计算机可读介质上的非瞬态计算机可读介质，其包含由处理器、控制器等执行的可执行程序指令。计算机可读介质的示例包括但不限于ROM、RAM、光碟(CD)-ROM、磁带、软盘、闪盘驱动器、智能卡和光学数据存储设备。计算机可读介质还可以分布在网络连接的计算机系统上，使得计算机可读介质例如通过远程信息处理服务器或控制器区域网络(Controller Area Network，CAN)以分布方式存储和执行。
除非特别声明或者从上下文显而易见，否则如在本文所用的术语“约”理解为在本领域的正常公差范围内，例如在平均值的两个标准差内。“约”可理解为在所述值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％内。除非上下文另外明确表明，否则在本文提供的所有数值均用术语“约”修饰。
在本说明书中，术语“包括”或“具有”应理解为指定存在一个或多个所述的特征、数字、步骤、操作、组件或其组合，并且不应事先排除增加一个或多个其他特征或数字、操作、组件或其组合的可能性。另外，当层、膜、区域、板等的部件被称为在另一个部件的“上面”时，这不仅包括它“直接”在另一个部件的“上面”的情况，也包括另一个部件在中间的情况。相反，当层、膜、区域、板等的部件被称为在另一个部件的“下面”时，这不仅包括它“直接”在另一个部件的“下面”的情况，也包括另一个部件在中间的情况。
除非另有规定，否则本文所使用的表达成分、反应条件、聚合物组合物和配方的量的所有数字、数值和/或表述都包含在获得这些数值时基本上出现的所有数字、数值和/或表述等。由于它们是反映测量中各种不确定性的近似值，因此在所有情况下都应理解为由术语“约”修饰。此外，当在本发明中公开数值范围时，除非另有说明，否则该范围是连续的并且包括该范围的最小值到最大值(包含最大值)的所有值。此外，当这样的范围指的是整数时，除非另有说明，否则包括最小值到最大值(包含最大值)的所有整数。
本发明涉及一种用于回收利用干电极膜的方法。在下文中，将参考附图更详细地描述本发明。图1为显示根据本发明的用于回收利用干电极膜的方法的流程图。
参考图1，根据本发明的用于回收利用干电极膜的方法包括：通过粉碎废电极获得待回收利用的废料S300；在上述回收利用的废料中，收集满足预设粉末流动指数的待回收利用的废料S400；制备包括回收利用的材料的电极材料S500；以及使用该电极材料制造电极膜S600。
更具体地，根据本发明的用于回收利用干电极膜的方法可以进一步包括：压延或压制新原料以形成片材S100；以及通过对片材的边缘进行切割，生成电极膜的切割边部分和废电极S200，之后进行粉碎废电极以获得待回收的废料的步骤S300。
在下文中，将对根据本发明的用于回收利用干电极膜的方法的每个步骤进行如下详细描述。
首先，在步骤S100中，可以压延或压制新原料以形成片材。
新原料可在高温高压下制备成自支撑干电极膜。
在步骤S100中，可以使用能够通过将预定量的粉末型新原料注入进料装置来制造片状膜的卷对卷式成膜设备。
在描述本发明之前，本发明所使用的“新材料”是指未重复使用的新原料。本发明中使用的“待回收利用的废料”是由“新材料”加工处理而成。在本发明中，“待回收利用的废料”具体是指由于切割过程中产生的残留物或者压延或压制过程中产生的外观缺陷(撕裂和损坏)而导致的废料的粉碎过程后可以回收利用的材料。
新原料可以包括电极活性材料、导电材料和粘合剂。
电极活性材料、导电材料和粘合剂的含量和材料不受限制，可以使用本领域中可用的所有材料。
粘合剂可以为纤维型粘合剂。具体地，粘合剂可以是选自包括聚四氟乙烯(PTFE)的粘合剂中的任何一种，其基本上由聚四氟乙烯(PTFE)制成，或者不一定使用聚四氟乙烯(PTFE)。
新原料可以是在没有液体介质(如溶剂或分散介质)的情况下混合电极活性材料、粘合剂和导电材料的粉末混合物。
在步骤S100中，粉末混合物可以通过压辊以制成片材。在该情况中，片材的厚度可以在50μm至800μm的范围内，密度在10mg/cm2至60mg/cm2的范围内。
随后，在步骤S200中，对片材进行切割，以产生电极膜的切割边部分和废电极。
切割可以是切割片材的边缘以匹配产品缺陷或所需的产品宽度。在该情况中，干电极膜的切割边部分作为切割过程中的残留物产生，并且在本发明中，将其称为“废电极”。
随后，在步骤S300中，将废电极粉碎以获得废料。
废电极的粉碎可以通过使用选自辊磨机、球磨机、喷射磨机、行星式磨机和磨碎机中的至少一种来进行，但不限于此。
在该情况中，粉碎条件是在40分钟内以1,000rpm至6,000rpm范围内的转速进行，并且更具体地，可以以1,000rpm至6,000rpm范围内的转速进行10分钟至40分钟。
在该情况中，可以将通过粉碎过程获得的粉末状废料粉碎至适当的颗粒尺寸。
废料可以包括电极活性材料、导电材料和粘合剂。粘合剂可以为纤维型粘合剂。
在步骤S300中，根据本发明，可以通过粉碎过程对电极膜中的纤维化粘合剂的结构进行细化。
图2为新原料(新鲜原料)和回收利用的材料(回收的废料)按工艺的状态变化的示意图。
具体地，参考图2，包括电极活性材料10、导电材料20和粘合剂30的新原料可以通过混合过程成型为(A)。
如(A)所示，粘合剂30可以具有诸如绞线的形状，在混合过程中通过该绞线进行纤维化。
新原料(A)可以通过压延或压制工艺变成形状(B)。
如(B)所示，通过辊压过程，由于纤维化粘合剂30与颗粒之间的致密结构结合力，新原料A可以形成膜。
为了以膜的形式回收干燥的电极膜(B)，可能需要破坏结构结合力的过程。特别地，需要对粘合起重要作用的纤维化粘合剂30的粉碎过程。
因此，当可回收废料通过粉碎过程变为(D)形式时，可以回收并制造干电极膜。
另一方面，当进行简单的混合过程而没有粉碎过程时，废料以形式(C)存在，其中纤维化粘合剂30与颗粒之间的致密结构结合力可能不会被释放出来，从而难以制备干电极膜。
然后，在步骤S400中，可以测量废料的粉末流动指数。
粉末流动指数可以是对粉末施加恒定外力时垂直应力和剪切应力的测量值。这种内聚强度可以衡量粉末的物理性能(流动性)。
粉末流动指数可以基于ASTM D6128的分析方法，在外力为0至15kPa的条件下测量。外力可以表示为流动指数应力。
ASTM D6128的分析方法可以是一种测量具有流动性的粉末和储存粉末的内聚强度的方法，也可以是一种通过测量粉末之间的内摩擦、体积密度以及与各种外壁的摩擦来确定粉末流动能力的实验方法，以解决料斗设计中的流动扰动。
ASTM D6128的分析方法可以对预定量的粉末样品施加外力(剪切应力和法向应力)，并测量稳态流动中的内力。
测量的数据显示了取决于颗粒之间的摩擦力和内聚力的不同力的力的分布，并表明了可以指示流动函数的流动曲线。因此，流动函数测试能够通过将粉末的流动特性表示为指数(流动指数)来量化和统计。此时，可以了解在固结应力和高固结应力之间的粉末流动。
随后，在步骤S400中，在测量废料的粉末流动指数后，评估测量值是否满足预设粉末流动指数。
当新原料的粉末流动指数值测量为“A”时，预设粉末流动指数可以在“A±0.02”的范围内。
产品的粉末流动指数的数值可以根据电极组成、物理性能和条件而变化。
因此，当作为标准的现有电极产品的粉末流动指数值测量为“A”时，在回收利用的粉末情况中，如果误差范围在“A±0.02”之内，则回收利用的粉末可以重新使用。
当满足预设粉末流动指数时，可以确定该废料被用作回收利用的废料，并进入步骤S500，将在下面描述。
当步骤S400中不满足预设粉末流动指数时，可以通过再次粉碎废料，然后再次测量废料的粉末流动指数来收集废料。
因此，如果标准电极产品的粉末流动指数值测量为“A”，而回收利用的粉末超出误差范围“A±0.02”，则通过再粉碎过程满足最终回收利用的条件。
如果在再粉碎过程中，回收利用的废料连续超出误差范围'A±0.02'，则丢弃该废料。
首先，图3A显示了混合完成后活性物质、粘合剂和导电材料混合而成的粉末状的新原料。
图3B显示了满足预设粉末流动指数的回收利用的材料(回收的废料)的状态。
参考图3B，可以确认与图3A的新原料相似的颗粒特征。
图3C显示了不满足预设粉末流动指数的回收利用的材料(回收的废料)的状态。
参考图3C，废电极没有很好地粉碎，因此可以确认没有完全实现粉碎，不同于图3A和图3B。
当没有完全进行粉碎的状态被重新用作电极材料时，在压延或压制过程中可能会产生除片状干电极膜撕裂现象以外的缺陷。
接下来，在步骤S500中，制备包括收集的回收利用的废料的电极材料。
在该实施方案中，根据本发明，可以仅使用回收利用的废料作为电极材料来制造作为最终产品的干电极膜。
在另一个实施方案中，根据本发明，电极材料可以与回收利用的废料和新原料混合来制造作为最终产品的干电极膜。
在本发明的另一个实施方案中，由于电极材料和回收利用的废料具有相似或等同的物理性能(粉末流动指数)，因此制造的电极材料可以具有与仅使用新原料的干电极膜相同的品质。
最后，在步骤S600中，由电极材料制造电极膜。
使用电极材料制造电极膜可以包括：通过压延或压制电极材料而将电极材料制造成片材的步骤S610，以及通过切割片材的边缘来制造电极膜的步骤S620。
首先，在步骤S610中，可以压延或压制回收利用的废料以形成片材。回收利用的废料可在高温高压下制造成自支撑干电极膜。
在S610中，可以使用与步骤S100中相同的卷对卷式成膜装置，其中通过将预定量的粉末状回收利用的废料注入进料装置来制造片状膜。
在步骤S610中，可以通过将回收利用的废料通过压辊来制造片材。在该情况中，通过回收利用最终制造的废电极而获得的电极膜可以具有50μm至800μm的厚度和10mg/cm2至60mg/cm2的密度。
随后，在步骤S620中，可以对电极膜进行切割以制造回收利用了废电极的电极膜，并进行与步骤S200相同的工艺。
因此，本发明有效地回收利用了制造干电极膜时产生的废弃干电极膜，从而降低了电极材料(如活性材料、粘合剂、导电材料等)的材料成本。
在下文中，将参考具体实施例更详细地描述本发明。以下实施例仅是说明性的以帮助理解本发明，本发明的范围不限于此。
实施例
首先，为了检查通过根据本发明的制造方法制造的电极的性能，将仅使用回收利用的废料作为电极材料的干电极膜制造为单元电池，并评估寿命特性。
具体地，为了评估寿命特性，通过将根据本发明的制造方法制备的干电极膜层压至集电体来制造用于电池的干电极膜，其中铝箔用作阴极集电体，铜箔用作阳极集电体，使用玻璃纤维(GFF)作为隔膜制造钮扣电池(R2032)型单元电池。
钮扣电池在0.1C、4.25V截止/0.05C的CC/CV模式下充电，并在0.33C、1.0C和2.0C的放电条件下评估其寿命。
比较实施例
除了使用新原料作为电极材料而不是仅使用回收利用的废料作为电极材料外，以与实施例中的单元电池相同的方式制造干电极膜，并评估寿命特性。
图4A为仅使用新原料作为电极材料制造的电极的性能评估结果。图4B为仅使用回收利用的废料作为电极材料制造的电极的性能评估结果。
参考图4A和图4B，可以看出仅使用回收利用的废料作为电极材料制造的电极实现了与仅使用新原料作为电极材料制造的干电极相同的容量。
因此，在本发明中，用于回收利用干电极膜的方法可以引入单独处理干电极膜制造过程中产生的废电极的步骤，从而可以制造出与使用新原料的干电极膜品质相同的干电极膜。
尽管上面已经描述了本发明的实施方案，但本领域技术人员将理解，在不改变本发明的技术精神或必要特征的情况下，本发明可以以其他具体形式实施。因此，应理解上述实施方案在所有方面都是说明性的，而不是限制性的。

Claims (20)

1.一种用于回收利用干电极膜的方法，所述方法包括：
通过粉碎废电极获得待回收利用的废料；
在废料中，收集满足预设粉末流动指数的回收利用的材料；
制备包括所收集的回收利用的材料的电极材料；以及
使用该电极材料制造电极膜。
2.根据权利要求1所述的用于回收利用干电极膜的方法，其中所述方法进一步包括：
压延或压制新原料以形成片材；以及
切割片材的外围部分以产生电极膜和废电极，之后进行粉碎废电极以获得废料。
3.根据权利要求2所述的用于回收利用干电极膜的方法，其中，新原料包括电极活性材料、导电材料和粘合剂。
4.根据权利要求3所述的用于回收利用干电极膜的方法，其中，粘合剂包括纤维型粘合剂。
5.根据权利要求3所述的用于回收利用干电极膜的方法，其中，粘合剂选自包括聚四氟乙烯的粘合剂，其基本上由聚四氟乙烯制成，或者不一定使用聚四氟乙烯。
6.根据权利要求3所述的用于回收利用干电极膜的方法，其中，电极活性材料、导电材料和粘合剂在没有液体介质或分散介质的情况下混合。
7.根据权利要求1所述的用于回收利用干电极膜的方法，其中，回收利用的废料包括电极活性材料、导电材料和粘合剂。
8.根据权利要求7所述的用于回收利用干电极膜的方法，其中，粘合剂包括纤维型粘合剂。
9.根据权利要求7所述的用于回收利用干电极膜的方法，其中，粘合剂选自包括聚四氟乙烯的粘合剂，其基本上由聚四氟乙烯制成，或者不一定使用聚四氟乙烯。
10.根据权利要求7所述的用于回收利用干电极膜的方法，其中，电极活性材料、导电材料和粘合剂在没有液体介质或分散介质的情况下混合。
11.根据权利要求1所述的用于回收利用干电极膜的方法，其中，通过粉碎废电极获得待回收利用的废料，废电极的粉碎通过使用选自辊磨机、球磨机、喷射磨机、行星式磨机和磨碎机中的至少一种来进行。
12.根据权利要求1所述的用于回收利用干电极膜的方法，其中，在获得废料时，废电极在1,000rpm至6,000rpm范围内的转速下粉碎等于或短于40分钟的持续时间。
13.根据权利要求12所述的用于回收利用干电极膜的方法，其中，在获得废料时，废电极在1,000rpm至6,000rpm范围内的转速下粉碎10分钟至40分钟。
14.根据权利要求1所述的用于回收利用干电极膜的方法，其中，粉末流动指数根据ASTM D6128的分析方法在外力在0至15kPa范围内的条件下测量。
15.根据权利要求2所述的用于回收利用干电极膜的方法，其中，当新原料的粉末流动指数值测量为“A”时，预设粉末流动指数在“A±0.02”的范围内。
16.根据权利要求1所述的用于回收利用干电极膜的方法，其中，当废料粉碎后不满足预设粉末流动指数时，通过测量粉末流动指数来收集回收利用的材料。
17.根据权利要求1所述的用于回收利用干电极膜的方法，其中，由电极材料制造电极膜包括：
压延或压制电极材料以形成片材；以及
通过切割片材的外围部分来制造电极膜。
18.根据权利要求1所述的用于回收利用干电极膜的方法，其中，电极材料仅由回收利用的材料制成。
19.根据权利要求2所述的用于回收利用干电极膜的方法，其中，电极材料包括回收利用的材料和新原料。
20.根据权利要求1所述的用于回收利用干电极膜的方法，其中，电极膜的厚度在50μm至800μm的范围内，密度在10mg/cm2至60mg/cm2的范围内。
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