CN117913404A - 一种磷酸铁锂废旧锂电池的回收利用方法 - Google Patents

一种磷酸铁锂废旧锂电池的回收利用方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种磷酸铁锂废旧锂电池的回收方法,采用一种物理和化学方法相结合的方法从磷酸铁锂废旧锂电池中回收氢氧化锂、磷酸铁、负极材料、碳酸脂类溶剂、铜箔和铝箔，该方法操作简单，成本低，环境友好，有利于工业化生产。

Description

一种磷酸铁锂废旧锂电池的回收利用方法
技术领域
本发明涉及锂电池材料回收技术领域，尤其涉及一种从磷酸铁锂废旧锂电池中回收氢氧化锂、磷酸铁、负极材料、铜箔和铝箔的方法。
背景技术
在近年来，由于人类对能源安全与产业技术提升的需求大大增加，动力电池车的市场比例与日俱增，锂离子电池被大量用作车辆的动力电池，但是动力电池都有一定的使用寿命，目前大多的汽车锂电池平均寿命为5～7年，这就意味着这几年我国就已经进入了首次动力电池大量退役的阶段，也就产生了大量的报废的动力电池。在废电池报废后，为了消除对环境的污染以及回收电池中的高价值元素，必须对废旧电池进行回收处理。比如现在普遍使用的磷酸铁锂电池，其中含有锂离子、铁离子、和磷酸根等，回收这些物质可以节约资源和减少环境污染。
在已经公开或报道的电池回收技术中，电池电极材料回收主要涉及电池拆卸、电极材料层与集流体的分离和电极材料的再生几大步骤，其中电极材料层与集流体的分离过程至关重要，影响着电极材料后续再生的性能。目前的分离方法主要有高温固相煅烧分离和液相分离两种方法。液相分离法中大多采用酸或碱进行溶解分离电极材料及集流体，然后再进行锂盐、铁盐及磷酸或磷酸二氢盐的分离，如申请号为201710840613 .X的专利公开了一种通过氢氧化钠(碱)溶解铝箔后实现活性物质的完整分离，申请号为201710503058.1的专利公开了一种无机酸直接浸出集流体上活性物质的技术，这些回收方法消耗大量的酸碱，并且会产生高载盐量和高酸含量的废水，严重污染环境，同时操作过程复杂，工艺繁琐和成本过高。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种磷酸铁锂废旧锂电池的回收方法，包括以下步骤：
S1.将废旧锂电池充满电；
S2.在惰性气体氛围中将上述废旧锂电池的两端进行切口处理，并且迅速放入装有醇类物质的容器中，容器内物质在流动的惰性气体氛围中充分浸泡反应后，分离得到溶液A和废电池；
S3. 拆分所述废电池得到正极片、负极片、隔膜和外壳；
S4.将所述正极片分离得到废正极材料与Al箔，Al箔可直接回收利用，把废正极材料与水一起球磨，然后抽滤进行固液分离，重复球磨抽滤操作两次，充分提取出吸附在废正极材料上的氢氧化锂，最终得到主要含氢氧化锂的水溶液和固体X；
S5. 将S3中所述负极片分离得到废负极材料与Cu箔，Cu箔可被直接回收利用，把废负极材料与水一起球磨，然后抽滤进行固液分离，重复球磨抽滤操作两次，充分提取出吸附在负极材料上的氢氧化锂，最终得到主要含氢氧化锂的水溶液和固体石墨；
S6. 将S2中溶液A与S4和S5中所述氢氧化锂水溶液混合，并且将混合溶液蒸馏分离得到溶液B和固体Y。
优选的，步骤S2中所述惰性气体选自N2、氦气、氖气、氩气中的至少一种。
优选的，步骤S2中所述醇类物质选自甲醇、分子式为CnHm(OH)l（其中n大于或等于2，m=2n和l=2或m=2n+1和l=1）的醇类或多元醇类物质中的至少一种。
优选的，步骤S2中所述醇类物质选自CH3OH、C2H5OH、CH2(OH)CH2(OH)、(OH)CH2CH2OCH2CH2(OH)、CH3CH(OH)CH3 、CH3CH2CH2(OH) 、CH2(OH)CH(OH)CH3 或CH2(OH)CH2CH2(OH)中的至少一种。
优选的，步骤S2中所述溶液A中包含醇类物质和反应得到醇锂化合物, 以及少量碳酸脂类溶剂和可溶性磷化合物。
优选的，步骤S3中，所述隔膜可直接回收利用。
优选的，步骤S4中，所述固体X主要成分为FePO4可回收使用。
优选的，步骤S5中，所述固体石墨可回收使用。
优选的，步骤S6中，所述固体Y主要成分为LiOH中含少量LiF，进一步分离处理可回收LiOH使用。
优选的，步骤S6中，所述溶液B进行分馏得水、醇类、碳酸脂、含磷残渣。
一种磷酸铁锂废旧锂电池的回收方法，还包括以下步骤：
S1.将废旧锂电池充满电；
S2.在惰性气体氛围中将上述废旧锂电池拆分得到正极片、负极片、隔膜和外壳；
S3.将所述负极片在惰性气体氛围保护下放入装有醇类物质的容器中，容器内物质在流动的惰性气体氛围中充分浸泡反应后得溶液M和第二负极片；
S4. 将所述第二负极片分离得到废负极材料与Cu箔，把废负极材料与水一起球磨，然后抽滤进行固液分离，重复球磨抽滤操作两次，合并得到氢氧化锂水溶液和固体石墨；
S5. 将所述正极片分离得到正极废材料与Al箔，把废正极材料与水一起球磨，然后抽滤进行固液分离，重复球磨抽滤操作两次，合并溶液得氢氧化锂水溶液和固体E；
S6. 将S3中溶液M、S4和S5中所述氢氧化锂水溶液混合，并且将混合溶液蒸馏分离得到溶液N和固体F。
优选的，步骤S2中，所述惰性气体选自氮气、氦气、氖气、氩气中的至少一种。
优选的，步骤S3中，所述醇类物质选自甲醇、分子式为CnHm(OH)l（其中n大于或等于2，m=2n和l=2或m=2n+1和l=1）和多元醇的醇类物质中的至少一种。
优选的，步骤S3中，所述醇类物质选自CH3OH、C2H5OH、CH2(OH)CH2(OH)、(OH)CH2CH2OCH2CH2(OH)、CH3CH(OH)CH3 、CH3CH2CH2(OH) 、CH2(OH)CH(OH)CH3 或CH2(OH)CH2CH2(OH)中的至少一种。
优选的，步骤S5中，所述固体E主要成分为FePO4可回收使用。
优选的，步骤S5中，所述固体石墨可回收使用。
优选的，步骤S6中，所述固体F主要成分为LiOH中含少量LiF，需进一步分离处理可回收LiOH使用。
优选的，步骤S6中，所述溶液N进行分馏得水、醇类、碳酸脂、含磷残渣。
本发明与现有技术相比具有如下技术效果：首先通过给废电池充电利用物理的电化学方法把锂离子从正极中分离出来并且存储在负极材料中，通过有机醇与锂的反应得到醇锂化合物，避免锂与水的接触危险性，采用一种物理和化学方法相结合的方法从磷酸铁锂废旧锂电池中回收氢氧化锂、磷酸铁、负极材料、碳酸脂类溶剂、铜箔和铝箔，该方法操作简单，成本低，环境友好，有利于工业化生产。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进行具体说明，但本发明实施例不仅限于此。
实施例 1
本实施例提供了一种从磷酸铁锂废旧锂电池中回收氢氧化锂、磷酸铁、负极材料、铜箔和铝箔的方法，包括以下步骤：把磷酸铁锂废旧锂电池充满电后，在手套箱中把旧电池分解成正极片、负极片、隔膜（回收利用）和外壳（回收利用）。正极材料上的锂由两部分构成，（1）仍然以LiFePO4存在的残留锂和（2）吸附在正极材料上的来源于LiPF6电解质中的锂，其中吸附的锂可以用水洗脱，而以LiFePO4存在的残留锂不能被水洗脱。把正极片分离成铝箔和正极材料粉体，取正极材料粉体50g,加入500g的去离子水，以400转/分钟的转速球磨2小时，然后进行抽滤，得含锂的水溶液（含有少量碳酸脂和可溶性磷化合物）和固体；取固体再加入500g的去离子水，以400转/分钟的转速球磨2小时，然后进行抽滤得含锂的水溶液和固体；取固体再加入500g的去离子水，以400转/分钟的转速球磨2小时，然后进行抽滤得含锂的水溶液和固体（FePO4），取固体烘干得固体粉末FePO4。。用ICP分析固体粉末中Li含量，结果为1367ppm，这个含量应该是以LiFePO4 形式存在的锂，是不可洗脱的锂残留量。在商用的LiFePO4中，锂的理论含量应该是43991 ppm （以质量计算），所以用充电的方法分离LiFePO4中的锂与FePO4时锂的残留量为3.1%。
在手套箱中把负极片放入乙醇中进行反应，反应完成后得乙醇锂溶液（含有少量碳酸脂和可溶性磷化合物）和极片。把负极片分解成集流体铜箔和粉体材料，取粉体材料50g,加入500g的去离子水，以400转/分钟的转速球磨2小时，然后进行抽滤，得含锂的水溶液和固体；取固体再加入500g的去离子水，以400转/分钟的转速球磨2小时，然后进行抽滤得含锂的水溶液和固体；取固体再加入500g的去离子水，以400转/分钟的转速球磨2小时，然后进行抽滤得含锂的水溶液和固体，取固体烘干得固体粉末（废负极材料，可以回收利用）。用ICP分析固体粉末中Li含量，结果为~0 ppm。正极和负极上总体残留锂大约为3.1%。锂的回收率为96.9%。
合并过程中得到的所有的乙醇溶液和水溶液，并且对溶液进行蒸馏得溶液和固体。把固体烘干得LiOH（含少量LiF，需要进一步分离处理）。对溶液进行分馏得水、乙醇、碳酸脂、含磷残渣（进一步分离处理）。
实施例 2
本实施例提供了一种从磷酸铁锂废旧锂电池中回收氢氧化锂、磷酸铁、负极材料、铜箔和铝箔的方法，包括以下步骤：把磷酸铁锂废旧锂电池充满电后，在电池的两端各切开一个开口，放入一个氮气保护的装有一半体积乙醇的容器中反应，反应完成后得乙醇锂的乙醇溶液（含有少量碳酸脂和可溶性磷化合物）和废电池；然后把废电池分解成正极片、负极片、隔膜和外壳。进一步取正极片，在空气中分离出正极材料和集流体铝箔。正极片上的锂由两部分构成，（1）仍然以LiFePO4形式存在的残留锂和（2）吸附在正极材料上的锂，吸附在正极材料上的锂来源于负极上反应生成的乙醇锂和LiPF6电解质中的锂，其中吸附的锂可以被水部分洗脱，而以LiFePO4存在的残留锂不能被水洗脱。取正极材料50g,加入200g的去离子水，以300转/分钟的转速球磨2小时，然后进行抽滤得溶液和固体；取固体再加入200g的去离子水，以300转/分钟的转速球磨2小时，然后进行抽滤得溶液和固体；取固体再加入200g的去离子水，以300转/分钟的转速球磨2小时，然后进行抽滤得溶液和固体，取固体烘干得固体正极粉末。用ICP分析固体正极粉末中Li含量，结果为 3931 ppm。在商用的LiFePO4中，锂的理论含量应该是43991 ppm （以质量计算），所以锂在正极片中的残留量为8.9% （说明仍然有吸附的锂离子没有被洗涤下来）。
取负极片分解成集流体铜箔和粉体材料，取粉体材料50g,加入200g的去离子水，以300转/分钟的转速球磨2小时，然后进行抽滤得固体和水溶液；取固体再加入200g的去离子水，以300转/分钟的转速球磨2小时，然后进行抽滤得固体和水溶液；取固体再加入200g的去离子水，以300转/分钟的转速球磨2小时，然后进行抽滤得固体和水溶液，取固体烘干得固体粉末（废旧负极材料）。用ICP分析固体负极粉末中Li含量，结果为 531 ppm。所以锂在正极片和负极片中锂的总残留量为10.1%。
合并过程中得到的所有的乙醇溶液和水溶液，并且对溶液进行蒸馏得溶液和固体。把固体烘干得LiOH（含少量LiF，需要进一步分离处理）。对溶液进行分馏得水、乙醇、碳酸脂、含磷残渣（进一步分离处理）。

Claims (18)

1.一种磷酸铁锂废旧锂电池的回收方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将废旧锂电池充满电；
S2.在惰性气体氛围中将上述废旧锂电池的两端进行切口处理，并且迅速放入装有醇类物质的容器中，在流动的惰性气体氛围中将废旧锂电池充分浸泡反应后，分离得到溶液A和废电池；
S3.将所述废电池拆分得到正极片、负极片、隔膜和外壳；
S4.将所述正极片分离得到废正极材料与Al箔，Al箔可直接回收利用，把废正极材料与水一起球磨，然后抽滤进行固液分离，重复球磨抽滤操作两次，充分提取出吸附在废正极材料上的氢氧化锂，最终得到主要含氢氧化锂的水溶液和固体X；
S5. 将S3中所述负极片分离得到废负极材料与Cu箔，Cu箔可直接回收利用，把废负极材料与水一起球磨，然后抽滤进行固液分离，重复球磨抽滤操作两次，充分提取出吸附在负极材料上的氢氧化锂，最终得到主要含氢氧化锂的水溶液和固体石墨；
S6. 将S2中溶液A与S4和S5中所述氢氧化锂水溶液混合，并且混合溶液蒸馏分离得到溶液B和固体Y。
2.根据权利要求1所述的一种磷酸铁锂废旧锂电池的回收方法，其特征在于，步骤S2中所述惰性气体选自氮气、氦气、氖气、氩气中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的一种磷酸铁锂废旧锂电池的回收方法，其特征在于，步骤S2中所述醇类物质选自甲醇、分子式为CnHm(OH)l（其中n大于或等于2，m=2n和l=2或m=2n+1和l=1）的醇类或多元醇类物质中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的一种磷酸铁锂废旧锂电池的回收方法，其特征在于，步骤S2中所述醇类物质选自CH3OH、C2H5OH、CH2(OH)CH2(OH)、(OH)CH2CH2CH2CH2(OH)、CH3CH(OH)CH3、CH3CH2CH2(OH) 、CH2(OH)CH(OH)CH3或CH2(OH)CH2CH2(OH)中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的一种磷酸铁锂废旧锂电池的回收方法，其特征在于，步骤S2中所述溶液A中包含醇类物质和反应得到醇锂化合物,以及少量碳酸脂类溶剂和可溶性磷化合物。
6.根据权利要求1所述的一种磷酸铁锂废旧锂电池的回收方法，其特征在于，步骤S3中，所述隔膜可直接回收利用。
7.根据权利要求1所述的一种磷酸铁锂废旧锂电池的回收方法，其特征在于，步骤S4中，所述固体X主要成分为FePO4可回收使用。
8.根据权利要求1所述的一种磷酸铁锂废旧锂电池的回收方法，其特征在于，步骤S5中，所述固体石墨可回收使用。
9.根据权利要求1所述的一种磷酸铁锂废旧锂电池的回收方法，其特征在于，步骤S6中，所述固体Y主要成分为LiOH中含少量LiF，进一步分离处理可回收LiOH使用。
10.根据权利要求1所述的一种磷酸铁锂废旧锂电池的回收方法，其特征在于，步骤S6中，所述溶液B进行分馏得水、醇类、碳酸脂、含磷残渣。
11.一种磷酸铁锂废旧锂电池的回收方法，其特征在于，还包括以下步骤：
S1.将废旧锂电池充满电；
S2.在惰性气体氛围中将上述废旧锂电池拆分得到正极片、负极片、隔膜和外壳；
S3.将所述负极片在惰性气体氛围保护下放入装有醇类物质的容器中，容器内物质在流动的惰性气体氛围中充分浸泡反应后得溶液M和第二负极片；
S4. 将所述第二负极片分离得到废负极材料与Cu箔，把废负极材料与水一起球磨，然后抽滤进行固液分离，重复球磨抽滤操作两次，合并得到氢氧化锂水溶液和固体石墨；
S5. 将所述正极片分离得到正极废材料与Al箔，把废正极材料与水一起球磨，然后抽滤进行固液分离，重复球磨抽滤操作两次，合并溶液得氢氧化锂水（溶液和固体E；
S6.将S3中溶液M与S4和S5中所述氢氧化锂水溶液混合，并且将混合溶液蒸馏分离得到溶液N和固体F。
12.根据权利要求11所述的一种磷酸铁锂废旧锂电池的回收方法，其特征在于，步骤S2中，所述惰性气体选自氮气、氦气、氖气、氩气中的至少一种。
13.根据权利要求11所述的一种磷酸铁锂废旧锂电池的回收方法，其特征在于，步骤S3中，所述醇类物质选自甲醇、分子式为CnHm(OH)l（其中n大于或等于2，m=2n和l=2或m=2n+1和l=1）和多元醇的醇类物质中的至少一种。
14.根据权利要求11所述的一种磷酸铁锂废旧锂电池的回收方法，其特征在于，步骤S3中，所述醇类物质选自CH3OH、C2H5OH、CH2(OH)CH2(OH)、(OH)CH2CH2OCH2CH2(OH)、CH3CH(OH)CH3、CH3CH2CH2(OH) 、CH2(OH)CH(OH)CH3或CH2(OH)CH2CH2(OH)中的至少一种。
15.根据权利要求11所述的一种磷酸铁锂废旧锂电池的回收方法，其特征在于，步骤S5中，所述固体E主要成分为FePO4可回收使用。
16.根据权利要求11所述的一种磷酸铁锂废旧锂电池的回收方法，其特征在于，步骤S5中，所述固体石墨可回收使用。
17.根据权利要求11所述的一种磷酸铁锂废旧锂电池的回收方法，其特征在于，步骤S6中，所述固体F主要成分为LiOH中含少量LiF，需进一步分离处理可回收LiOH使用。
18.根据权利要求11所述的一种磷酸铁锂废旧锂电池的回收方法，其特征在于，步骤S6中，所述溶液N进行分馏得水、醇类、碳酸脂、含磷残渣。
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