CN219457744U - 一种废旧锂电池正极材料补锂的电化学装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种废旧锂电池正极材料补锂的电化学装置，包括电化学工作站，所述电化学工作站上安装有正、负电极夹，所述电化学工作站上设有电解池，且电解池内竖向卡合固定有阳离子交换膜，并且阳离子交换膜两侧分别设有阴极室与阳极室，所述阴极室内设有阴极电极，所述阳极室内设有阳极电极和参比电极，所述电化学工作站的正极与阳极电极和参比电极连接，且电化学工作站的负极与阳极电极连接。该废旧锂电池正极材料补锂的电化学装置采用电化学插入的方法对废旧锂电池正极材料进行补锂，可以使拆解得到的正极极片直接补锂，减少预处理工序，且电化学插入补锂方法所需的能量低、试剂少，无二次污染产生。

Description

一种废旧锂电池正极材料补锂的电化学装置

技术领域

本实用新型涉及废旧锂电池正极材料补锂技术领域，具体为一种废旧锂电池正极材料补锂的电化学装置。

背景技术

锂电池是一类由锂金属或锂合金为正/负极材料、使用非水电解质溶液的电池。锂电池因具有能量密度高，工作电压大；其本身的自放电率低，无记忆性的优点而被广泛应用到智能手机、电动汽车等行业当中。但随着锂电池充放电次数的增加，正极材料中的Li+不断地嵌入、脱出，导致正极材料的结构发生了变化，从而反过来影响到Li+的嵌入与脱出，致使锂电池容量下降，电池失效。废旧锂电池正极材料中含有锂、镍、钴、锰等有价金属，目前，国内针对废旧锂电池的处理方法主要是回收正极材料中的有价金属。常用的回收方法有干法冶金法、湿法冶金法、生物冶金法等。但都普遍存在回收率低，并且易产生二次污染的缺点。如干法冶金法在回收过程中会产生废气，湿法冶金法在对有价金属离子浸出的过程中也会有浸出废液的产生。而直接对废旧锂电池正极材料进行补锂再生也是当下的研究热点，目前已有的补锂方法主要包括固相法直接补锂、熔融盐法直接补锂、水热锂化直接补锂、低共熔溶剂常压锂化直接补锂等。

现有的固相法需要将废旧锂电池的正极材料按一定的摩尔比与锂源经球磨后充分混合，再经过900℃高温煅烧12h，整个过程能量消耗大，经济效益较差。熔融盐法虽然能在温度较低、反应时间短、能量消耗低的情况下再生正极材料，但再生过程中作为锂源的锂盐用量以及反应时间会因电池的失效程度不同而需要严格控制，难以把握，因此其适用性较低。水热锂化法需要在远高于环境压力的条件下进行反应，存在一定的危险性。低共熔溶剂常压锂化法中低共熔溶剂(DESs)体系难以寻找，目前这方面的研究也寥寥无几。总的来说，目前的电化学装置通过固相法直接补锂、熔融盐法直接补锂、水热锂化直接补锂、低共熔溶剂常压锂化法均无法便捷、高效、且低能耗的进行补锂处理。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种废旧锂电池正极材料补锂的电化学装置，以解决上述背景技术提出的目前市场上电化学装置通过固相法直接补锂、熔融盐法直接补锂、水热锂化直接补锂、低共熔溶剂常压锂化法均无法便捷、高效、且低能耗的进行补锂处理的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种废旧锂电池正极材料补锂的电化学装置，包括电化学工作站，所述电化学工作站上安装有正、负电极夹，所述电化学工作站上设有电解池，且电解池内竖向卡合固定有阳离子交换膜，并且阳离子交换膜两侧分别设有阴极室与阳极室，所述阴极室内设有阴极电极，所述阳极室内设有阳极电极和参比电极，且参比电极置于阳极电极远离阳离子交换膜的一侧，所述电化学工作站的正极与阳极电极和参比电极连接，且电化学工作站的负极与阳极电极连接。

优选的，所述电化学工作站的电极夹上附有用于导电的导电铂片。

优选的，所述阳离子交换膜、阴极电极以及阳极电极之间均相对平行设置，且阳离子交换膜为具有选择透过性的阳离子交换膜。

优选的，所述阴极室内加入去离子水，且阴极室内的去离子水完全浸没阴极电极。

优选的，所述阳极室内加入为Li₂SO₄溶液的锂源溶液，且阳极室内的锂源溶液完全浸没阳极电极和参比电极，所述阴极室内的液面低于阳极室内的液面。

优选的，所述阴极电极为废旧锂电池中拆解得到的正极极片，且阴极电极为钴酸锂电池正极极片。

优选的，所述阴极电极为废旧锂电池中拆解得到的正极极片，且阴极电极为磷酸铁锂电池正极极片。

优选的，所述阳极电极为纯Pt电极片。

优选的，所述参比电极选用饱和KCl溶液的Ag/AgCl参比电极。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：该废旧锂电池正极材料补锂的电化学装置采用电化学插入的方法对废旧锂电池正极材料进行补锂，可以使拆解得到的正极极片直接补锂，减少预处理工序，且电化学插入补锂方法所需的能量低、试剂少，无二次污染产生。该废旧锂电池正极材料补锂的电化学装置利用阳离子交换膜只能透过阳离子而阴离子无法透过的选择透过性，将整个电解池分为阳极室和阴极室，降低了阴极室中阴离子的含量，避免了共离子效应，提高了电流利用效率，同时能有效避免电极出现浓差极化现象，避免对阴极电位的影响。

附图说明

图1为本实用新型一种废旧锂电池正极材料补锂的电化学装置正视结构示意图；

图2为本实用新型一种废旧锂电池正极材料补锂的电化学装置立体结构示意图；

图3为本实用新型一种废旧锂电池正极材料补锂的电化学装置内离子在电场力作用下的迁移示意图。

图中：1、电化学工作站；2、电解池；3、阳离子交换膜；4、阴极室；5、阳极室；6、阴极电极；7、阳极电极；8、参比电极；9、阳离子迁移方向；10、阴离子迁移方向。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例一：请参阅图1-3，本实用新型提供一种技术方案：一种废旧锂电池正极材料补锂的电化学装置，包括电化学工作站1，电化学工作站1上安装有正、负电极夹，电化学工作站1的电极夹上附有用于导电的导电铂片，此结构电化学工作站1用于提供稳定的直流电源，电化学工作站1通过正电极夹对阳极电极7和参比电极8进行连接，电化学工作站1通过负电极夹对阳极电极7连接，并通过导电铂片进行导电处理，在电化学工作站1启动后，进行废旧锂电池正极材料的补锂处理，电化学工作站1工作过程中监测阳极电极7和参比电极8的电位变化情况，在阴极电位稳定后，表明阳极电极7补锂完成，电化学工作站1上设有电解池2，且电解池2内竖向卡合固定有阳离子交换膜3，并且阳离子交换膜3两侧分别设有阴极室4与阳极室5，阴极室4内加入去离子水，且阴极室4内的去离子水完全浸没阴极电极6，此结构离子水指除去了呈离子形式杂质后的纯水，避免离子的干扰，阳离子迁移方向9用于指向阳离子的迁移方向，阳极室5内加入为Li₂SO₄溶液的锂源溶液，且阳极室5内的锂源溶液完全浸没阳极电极7和参比电极8，阴极室4内的液面低于阳极室5内的液面0.1-1cm，此结构阳极室5通过Li₂SO₄溶液的锂源溶液提供Li+，阴极室4内的液面低于阳极室5内的液面0.1-1cm，可以使阳极室5内的Li+顺利的进入阴极室4内，阴离子迁移方向10用于指向阴离子的迁移方向，阴极室4内设有阴极电极6，阴极电极6为废旧锂电池中拆解得到的正极极片，且阴极电极6为钴酸锂电池正极极片，此结构是将达到使用寿命的废旧锂电池中拆解得到的正极极片裁剪到与阳极电极7相同的大小，使废旧锂电池中拆解得到的钴酸锂电池正极极片可构成阴极电极6，阳极室5内设有阳极电极7和参比电极8，阳离子交换膜3、阴极电极6以及阳极电极7之间均相对平行设置，且阳离子交换膜3为具有选择透过性的阳离子交换膜，此结构阳离子交换膜3能够使阳极室5内锂源溶液中的Li+顺着阳离子迁移方向9进入阴极室4，而锂源溶液中的阴离子无法穿过阳离子交换膜3，因此阴离子留在了阳极室5之中，使得阳离子交换膜3能够有效的避免同离子效应的发生，提高电流的利用效率，同时，由于阳极室5中Li+浓度高于阴极室4中的Li+浓度，有效地降低了离子跨膜传质阻力，并且离子在迁移过程中所受到的浓差阻力也较小，缩短了电化学插入所需的时间，减少了能量消耗，且参比电极8置于阳极电极7远离阳离子交换膜3的一侧，阳极电极7为纯Pt电极片，此结构纯Pt电极片的化学性质较为稳定，电化学工作站1的正极与阳极电极7和参比电极8连接，参比电极8选用饱和KCl溶液的Ag/AgCl参比电极，此结构参比电极8是用于测量阴极电极6电极电位的一个基准电极，且电化学工作站1的负极与阳极电极7连接。

实施例二：本实施例与上述实施例的不同之处在于，使本电化学装置还能对其他废旧锂电池的正极材料进行再生，采用阴极电极6为废旧锂电池中拆解得到的正极极片，且阴极电极6为磷酸铁锂电池正极极片，此结构是将达到使用寿命的废旧锂电池中拆解得到的正极极片裁剪到与阳极电极7相同的大小，使废旧锂电池中拆解得到的磷酸铁锂电池正极极片也可构成阴极电极6。

工作原理：在使用该废旧锂电池正极材料补锂的电化学装置时，首先向电解池2内添加电解液，将Li₂SO₄溶液的锂源溶液加入阳极室5中，然后向阴极室4中加入去离子水，让阴极室4中液面低于阳极室5中的液面0.1-1cm，静置一段时间，再将阳极电极7与参比电极8放入阳极室5中，然后将废旧锂电池中拆解得到的钴酸锂电池正极极片或者磷酸铁锂电池正极极片裁剪到与阳极电极7相同的大小，使废旧锂电池中的正极极片构成阴极电极6，并将阴极电极6放入阴极室4中，确保电极均能够完全被溶液浸没，接着启动电化学工作站1，由电化学工作站1提供稳定的直流电，在电场力的作用下，阳极室5中的阴、阳离子分别顺着阴离子迁移方向10和阳离子迁移方向9进行迁徙，使阳极室5中的Li+顺着阳离子迁移方向9穿过阳离子交换膜3进入阴极室4中，溶液中的阴离子无法穿过阳离子交换膜3而留在了阳极室5之中，避免了同离子效应的发生，提高电流的利用效率，阳极室5中Li+浓度高于阴极室4中Li+浓度，有效地降低了离子跨膜传质阻力，并且离子在迁移过程中所受到的浓差阻力也较小，缩短了电化学插入所需的时间，减少了能量消耗，穿过阳离子交换膜3的Li+逐步向阴极电极6迁移，在电场力足够大时，Li+获得足够的能量后逐步迁移至阴极电极6内部，发生电化学插入反应，嵌入废旧锂电池正极材料的晶格中，完成补锂过程，电化学工作站1工作过程中监测阴极电极6与参比电极8之间的电位，当阴极电位稳定后即表明补锂过程结束，从而完成一系列工作。

尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种废旧锂电池正极材料补锂的电化学装置，包括电化学工作站(1)，所述电化学工作站(1)上安装有正、负电极夹，其特征在于：所述电化学工作站(1)上设有电解池(2)，且电解池(2)内竖向卡合固定有阳离子交换膜(3)，并且阳离子交换膜(3)两侧分别设有阴极室(4)与阳极室(5)，所述阴极室(4)内设有阴极电极(6)，所述阳极室(5)内设有阳极电极(7)和参比电极(8)，且参比电极(8)置于阳极电极(7)远离阳离子交换膜(3)的一侧，所述电化学工作站(1)的正极与阳极电极(7)和参比电极(8)连接，且电化学工作站(1)的负极与阳极电极(7)连接。

2.根据权利要求1所述的一种废旧锂电池正极材料补锂的电化学装置，其特征在于：所述电化学工作站(1)的电极夹上附有用于导电的导电铂片。

3.根据权利要求1所述的一种废旧锂电池正极材料补锂的电化学装置，其特征在于：所述阳离子交换膜(3)、阴极电极(6)以及阳极电极(7)之间均相对平行设置，且阳离子交换膜(3)为具有选择透过性的阳离子交换膜。

4.根据权利要求1所述的一种废旧锂电池正极材料补锂的电化学装置，其特征在于：所述阴极室(4)内加入去离子水，且阴极室(4)内的去离子水完全浸没阴极电极(6)。

5.根据权利要求1所述的一种废旧锂电池正极材料补锂的电化学装置，其特征在于：所述阳极室(5)内加入为Li₂SO₄溶液的锂源溶液，且阳极室(5)内的锂源溶液完全浸没阳极电极(7)和参比电极(8)，所述阴极室(4)内的液面低于阳极室(5)内的液面。

6.根据权利要求1所述的一种废旧锂电池正极材料补锂的电化学装置，其特征在于：所述阳极电极(7)为纯Pt电极片。

7.根据权利要求6所述的一种废旧锂电池正极材料补锂的电化学装置，其特征在于：所述参比电极(8)选用饱和KCl溶液的Ag/AgCl参比电极。

8.根据权利要求7所述的一种废旧锂电池正极材料补锂的电化学装置，其特征在于：所述阴极电极(6)为废旧锂电池中拆解得到的正极极片，且阴极电极(6)为钴酸锂电池正极极片。

9.根据权利要求7所述的一种废旧锂电池正极材料补锂的电化学装置，其特征在于：所述阴极电极(6)为废旧锂电池中拆解得到的正极极片，且阴极电极(6)为磷酸铁锂电池正极极片。