CN1419306A - 化学电源电池的原料及循环再生利用技术 - Google Patents

Abstract

本发明涉及化学电源电池所用的原料及循环再生利用的工艺方法。目的是研制一种化学电源电池的原料及循环再生利用的技术。主要技术是将其使用后的废液经电解再生得到电解金属和还原电解液，电解金属经冷热压制成型或冶炼加工进行成型加工均得到活性物质金属，还原电解液经净化处理调配调制成所需浓度的电解液，即可继续使用。优点是电池重量比能量高，无需在电池体内充电，循环施放电流，不浪费资源，可再生，性能稳定，绿色环保，无噪音、无污染。

Description

化学电源电池的原料及循环再生利用技术

本发明涉及化学电源电池领域中所用的原料及循环再生利用技术，尤其适用于金属-空气电池领域的原料及循环再生利用技术。

在背景技术中，目前市场上销售的蓄电池、动力电池及电瓶有多种，但其所使用的活性物质和电解液利用率较低，一般结果有两种，一种是一次性使用，然后再更换新电池，另一种是多次充电，随着充电能量的减退导致极板损坏或漏液，最后报废更换新电池，这样导致应用技术上不足之处：(1)无法实现废物再生利用，电池不断需要更换新的才能维持工作，浪费资源；(2)既便是新电池，其电能容量较小，价格高，如铅-酸电池的比能量为25-35w·h/kg，价格在60-100$/kw·h，既便是比能量较高的锌-镍电池的比能量也是60-75w·h/kg，价格在180-302$/kw·h，有的电池价格甚至更高，超过1000$/kw·h；(3)电池报废，如果处理不当，将造成环境污染，即便是经过适当处理，也要花费一定的资金和人力；(4)电池存在一定的缺点，导致使用也不便，如为了达到较高的电池比能量，就必须达到相应较大的体积和重量，故推广普及仍有一定困难。

本发明针对目前国内外存在的上述电池的缺点或不足，设计研制化学电源电池的材料及循环再生利用技术，特别是在循环式或非循环式金属——空气电池领域，在具有较高的电池比能量的基础上，使其电池使用的活性物质和电解液得到充分回收再生利用，实现工业化大规模技术，使资源再生利用，循环使用，提高有限的物质资源的利用率，排除环境污染，无需在电池本体内充电，循环释放电流，降低使用成本及制造价格，使用范围广而方便，易普及推广。

本发明的技术解决方案如下：

化学电源电池的原料及循环再生利用技术，在化学电源电池(5)中加入活性物质金属(1)和电解液(2)，其特征是：化学电源电池(5)所排出的废液(28)集中在电解槽(27)中进行电解再生(7)，在常压下，电解温度为-20-85℃，单位电解槽两极间电压为1.6-4V，电流为10-800mA/cm²，电解产物为粉末状、箔状、片状或板状的电解金属(8)，及还原电解液(9)，其中电解金属(8)经冷热压制成型(10)或冶炼加工(11)后进行成型加工(13)，还原电解液(9)经净化(12)后进行调配调制(14)；这里的冷热压制成型(10)工序指：将电解后的金属(8)进行冷压或热压，对于采用冷压压力为30-250kg/cm²，温度：-10-50℃，时间：0.5-400秒，对于采用热压压力为30-200kg/cm²，温度为50-280℃，时间：0.5-400秒；冶炼加工(11)工序和成型加工(13)工序采用现在已有的成熟技术，同理将电解后金属(8)进行冶炼加工和成型，与冷热压制成型(10)工序一样都将电解金属(8)加工成板状式、片状式、碎屑形、圆环形、圆柱形、条形、球形、实心或空心球体、刨花片状式、几何多边形、多面体或金属粉末的几何体成型金属(1)，然后将其输送到加金属装置(3)中待用，与新加或补加金属(1)等同；上述净化(12)工序中，将还原电解液(9)经过过滤或冷却结晶沉淀，清除液体中悬浮物及沉淀物杂质，得到纯净的电解液(2)，再经调配调制(14)工序，制成重量百分比浓度为20％-50％，密度为1.18-1.51g/cm³的纯净电解液(2)，输入到加液装置(4)中待用，与新加或补加电解液(2)等同；将加金属装置(3)中的金属(1)与加液装置(4)中的电解液(2)加入到需待用的化学电源电池(5)中。

本发明的技术解决方案还包括：

化学电源电池的原料及循环再生利用技术，其特征是：化学电源电池(5)指铅-酸、镉-镍、铁-镍、锌-镍、镍-氢、锌-锰电池，尤其是指金属-空气电池；金属(1)是指锌Zn、铝Al、镁Mg、铁Fe、锂Li、钙Ca及其各自对应的合金；电解液(2)是指碱性电解液或中性电解液，如氢氧化钾KOH、氢氧化钠NaOH或其两者混合物，盐NaCl、NH₄Cl。

化学电源电池的原料及循环再生利用技术，其特征是：在冷热压制(10)工序中，可加入重量百分比为0.1-8％的粘剂剂，粘剂剂为羧甲基纤维素钠(CMC-Na)聚乙烯醇、聚四氟乙烯、聚乙烯及各种纤维素或环氧树脂类。

本发明的优点和效果如下：

(1)降低电池使用成本。由于本发明采用的是化学电源电池，尤其是循环式或非循环式金属-空气电池和本发明电池原料及循环再生利用技术，使活性物质和电解液的回收利用成为现实，使电池内部本体充电移到电池本体外进行，经试验，回收利用率达98％以上，解决了困扰世界上电池重复充电有限次数和实际电池使用寿命短的问题，不浪费资源，可再生。

(2)提高电池重量比能量。由于采用再生活性物质及电解液，使化学电源电池，尤其是循环式或非循环式金属-空气电池得到充分利用，故电池的重量比能量达到400-1000w·h/kg，不仅可作为普通电源使用，特别是作为动力电源使用更得到了广泛应用。

(3)电池本系统使用成本低。由于采用金属：锌、铅、镁、铁、锂、钙或其各自对应合金作为活性物质，以及电解液均能够回收利用，同时电池比能量的提高，即同样的能量电池相比，本发明的电池重量轻、体积小，故成本大大降低，有利于推广使用。

(4)实现了电池原料及循环回收利用的大规模工业化生产。由于采用电解再生、冷热压制成型或冶炼加工、成型加工、净化、调配调制的工序，大都是成熟的已有技术，通过改变工艺参数，故工艺方法简单，专门用于化学电源电池尤其是金属-空气电池的原料及循环回收利用，无需在电池本体内充电，就能够循环释放电流。

(5)绿色环保。由于原材料再生利用，故解决了国内外现有电池用后到处抛扔、环境污染的问题，电池在使用中无噪音、无污染。

(6)经试验，本发明回收再生原材料持续放电时间长，放电电压平稳，性能稳定。

(7)本发明循环系统的实现，作为再生利用能源，为移动式交通工具、发电设施及其他用电设备提供了新型动力源，为新能源，化学电源电池的利用开辟了更广泛的使用范围。

本发明的附图说明如下：图1是工业化生产的工艺流程图，图2是加液装置结构示意图，图3是加金属装置结构示意图，图4是金属-空气电池的工作原理图，图5是电解再生原理示意图，图6是图5中的A部放大示意图，

上述各图标号说明如下：1-活性物质金属，2-电解液，3-加金属装置，4-加液装置，5-化学电源电池，6-排废料装置，7-电解再生，8-电解金属，9-还原电解液，10-冷热压制成型，11-冶炼加工，12-净化，13-成型加工，14-调配调制，15-加料容器，16-导流管，17-控制阀，18-下料控制挡板，19-下料口，20-输液管，21-泵，22-蓄液槽，23-废液阀门，24-电池盒体，25-电解电源，26-导线，27-电解槽，28-废液，29-正极板，30-负极板

下面依附图做进一步的详述，也是本发明的实施例，当然不能以此来限定本发明，对于化学电源电池来讲，包括那些在非电池本体内充电的化学电源电池，尤其是循环式或循环式金属-空气电池。

下面以金属-空气电池为例说明：参见图1，金属1指活性物质的金属1，如锌Zn、铝Al、铁Fe、锂Li、钙Ca、镁Mg及其各自的对应合金；电解液2指KOH或NaOH或其二者混合物，盐NaCl、NH₄Cl等。新加金属1和新加电解液(重量百分比浓度为20～50％)2，分别经加金属装置3和加液装置4同时或分别加入到化学电源电池5中，检验合格，出厂为第一次销售使用的电池5。当该电池5用完电后，将其废液28统一集中流到排废料装置6中，然后输送到电解再生7工序中，得到电解金属8和还原电解液9，其中将电解金属8经冷热压制成型10或冶炼加工11、成型加工13采用冲压、压铸、喷涂等现有已成熟技术，得到板状式、片状式、碎屑式、圆环形、圆柱形、条形、球形、空心或实心球体、刨花片形、几何多边形、多面体或金属粉末等形状金属1，也是活性物质成型金属1，总之是比表面积较大的各种几何体金属1，以便在使用中反应彻底，反应时间长，最后将其成型加工的金属1输送到加金属装置3中，如果回收再生料不够，则将补加金属1输送到加金属装置3中，二者金属1等同。至于还原电解液9经净化池进行净化12工序，将其过滤或冷却结晶沉淀，清除悬浮物及沉淀物，得到净化后的电解液，在进行调配调制14工序中，加浓或稀释达到重量百分比浓度为20～50％的纯净电解液2，再输送到加液装置4中，若量不够补加电解液2，二者原料等同。上述电解再生7工序中，工艺参数电解温度为-20～85℃，任意选其一，如-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、50℃、70℃、85℃等均可，在常压下，两极电压为1.6～4V，电流为10～800mA/cm²。上述冷热压制10工序中，工艺参数：对于冷压制，常温下，冷压压力为30～250kg/cm²，任选其一，如30、40、80、100、200、250kg/cm²等，温度：-10-50℃，时间：0.5-400秒，对于热压制，热压压力为30～250kg/cm²，热压温度为50～280℃，时间：0.5-400秒，冷热压均制成成型的金属1。在冷热压制成型10工序中，可不加入粘接剂，根据制作电池种类决定，当加入粘接剂时，加入重量百分比为0.1～8％粘接剂：羧甲基纤维素钠(CMC-Na)聚乙烯醇、聚四氟乙烯、聚乙烯及各种纤维素或环氧树脂类。冶炼加工11和成型加工13均采用现有已成熟的技术也同理制成成型金属1。

参见图2，加液装置4中加料容器15内盛有电解液2，容器15底侧有导流管16，导流管16端口有控制阀17，以便人工加液或自动称重加液。

参加图3，加金属装置3中，加料容器15中盛有活性物质金属1，也是成型金属1，容器15底有若干下料口19，挡板18位于下料口19上，控制下料挡板18即可控制下料量的多少。对于金属-空气电池来讲，试验得知，容器15内装有少量或装满金属1与电解液2之间不管量的多少都能实现正常工作。参见图4，在循环式金属-空气电池5中，盒体24内排列做成型金属1，对于非循环式电池5来讲，成型金属1形状不受任何限制，对于循环式电池5，成型金属1形状为粒状、片状、板状等比表面积大为好，同时有利于电解液2的不断持续稳定循环。盒体24开口下部是蓄液槽22，带有泵21的输液管20一头插入蓄液槽22中，另一头插入电池盒体24中，工作中使电解液2形成循环，与成型金属1充分接触反应，当金属用尽时或能量不足时，壳打开蓄液槽22底部的阀门23，废液28即从排废液口阀门23处排出。参看图5，电解槽27中排列着阴阳极板，并用导线26连接，同时也与电解电源25相连，内盛废液28，这些与现有技术基本相同，所不同的是工艺参数。参见图6，电解负极板30与电解正极扳29工作时附近分别堆积有金属离子——锌离子Zn²⁺和氢氧根离子OH^-，在负极板30表面逐步堆积还原的锌粉、锌片或锌板为电解金属8，堆积到一定程度取下电解金属8，经冷热压制10和冶炼加工11后进行成型加工13，最后成为使用的活性物质成型金属1。在正极扳29表面有氧气排出。

Claims (3)

1.化学电源电池的原料及循环再生利用技术，在化学电源电池(5)中加入活性物质金属(1)和电解液(2)，其特征是：化学电源电池(5)所排出的废液(28)集中在电解槽(27)中进行电解再生(7)，在常压下，电解温度为-20-85℃，单位电解槽两极间电压为1.6-4V，电流为10-800mA/cm²，电解产物为粉末状、箔状、片状或板状的电解金属(8)，及还原电解液(9)，其中电解金属(8)经冷热压制成型(10)或治炼加工(11)后进行成型加工(13)，还原电解液(9)经净化(12)后进行调配调制(14)，这里的冷热压制成型(10)工序指：将电解后的金属(8)进行冷压或热压，对于采用冷压压力为30-250kg/cm²，温度：-10-50℃，时间：0.5-400秒，对于采用热压压力为30-200kg/cm²，温度为50-280℃，时间：0.5-400秒；冶炼加工(11)工序和成型加工(13)工序采用现在已有的成熟技术，同理将电解后金属(8)进行冶炼加工和成型，与冷热压制成型(10)一样都将电解金属(8)加工成板状式、片状式、碎屑形、圆环形、圆柱形、条形、球形、实心或空心球体、刨花片状式、几何多边形、多面体或金属粉末的几何体金属(1)，然后将其输送到加金属装置(3)中待用，与新加或补加金属(1)等同；上述净化(12)工序中，将还原电解液(9)经过过滤或冷却结晶沉淀，清除液体中悬浮物及沉淀物杂质，得到纯净的电解液(2)，再经调配调制(14)工序，制成重量百分比浓度为20％-50％，密度为1.18-1.51g/cm³的纯净电解液(2)，输入到加液装置(4)中待用，与新加或补加电解液(2)等同；将加金属装置(3)中金属(1)与加液装置(4)中电解液(2)加入到需待用的化学电源电池(5)中。

2.根据权利要求1所述的化学电源电池的原料及循环再生利用技术，其特征是：化学电源电池(5)指铅-酸、镉-镍、铁-镍、锌-镍、镍-氢、锌-锰电池，尤其是指金属-空气电池；金属(1)是指锌Zn、铝Al、镁Mg、铁Fe、锂Li、钙Ca及其各自对应的合金；电解液(2)是指碱性电解液或中性电解液，如氢氧化钾KOH、氢氧化钠NaOH或其两者混合物，盐NaCl、NH₄Cl。

3.根据权利要求1所述的化学电源电池的原料及循环再生利用技术，其特征是：在冷热压制(10)工序中，可加入重量百分比为0.1-8％的粘剂剂，粘剂剂为羧甲基纤维素钠(CMC-Na)聚乙烯醇、聚四氟乙烯、聚乙烯及各种纤维素或环氧树脂类。

Images