TW201916448A - 廢鋰電池回收鈷的方法 - Google Patents

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林淵淙
陳康興
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Abstract

一種廢鋰電池中回收鈷的方法，其包含步驟：(A)提供一廢鋰電池正極材料粉末；(B)將該鋰電池正極材料粉末加入一第一酸液，並置於一微波系統或一超音波系統中萃取，以形成一含鈷溶液；(C)將該含鈷溶液加入一過錳酸鉀溶液以去除該含鈷溶液中的錳，而得到一去錳含鈷溶液；(D)將該去錳含鈷溶液加入一萃取劑，以萃取得到一有機相含鈷萃取液；以及(E)將該含鈷萃取液加入一第二酸液進行反相萃取，以使鈷及自該有機相含鈷萃取液中分離，因而獲得一水相含鈷溶液。

Description

廢鋰電池回收鈷的方法
本發明係關於一種廢鋰電池回收鈷的方法，特別是關於一種藉由一微波系統或一超音波系統中萃取廢鋰電池回收鈷的方法。
隨著科技的進步，行動裝置產品及電動車等市場快速成長。而鋰電池應具備有質量輕、高能量密度、高操作電壓、無記憶效應等優勢，因此被大量應用於筆記型電腦、通訊及消費性電子產品等，近年來亦往電動車輛上發展。鋰電池也因為其相對環保性、放電平穩、循環壽命長逐漸取代鎳氫、鎳鎘、鉛酸電池等作為主要電源，但相對的也會產生龐大的電子廢棄物，如何回收處理與管理鋰電池電子廢棄物是一大課題。現有傳統浸漬溶出技術，利用各種酸液作為浸漬液，並在室溫或是指定溫度下將處理過後的廢鋰電池置入浸漬液當中，將固相的金屬化合物中所要回收的鈷，用適當的溶劑溶解為離子態而存於浸漬溶液中。傳統浸漬所使用之加熱方式速度偏慢、浸漬過程所需反應時間長，若要長時間維持溫度需要耗費相當可觀的能量。
根據統計資料全球鋰電池產業以每年約12~15%的速率成長，每年二次鋰電池的生產量及使用量逐年上升，預估2015年產量超過30億顆。日本技術系統研究所在2011年提出全球二次鋰電池的市場需求量在2010年時為39億顆；預估2016年全球二次鋰電池的市場需求量將達70億顆以上(不包含電動車與中國市場)。如此數量的鋰電池讓其回收處理問題與隨之而來的商機日 益顯現，若能妥善回收處理除了減少環境衝擊亦能增加資源再使用率。鈷是一種天然存在的元素，可於岩石、土壤、水、植物和動物中發現。鈷用於生產合金，用於製造飛機發動機、磁鐵、研磨、切割工具、人工髖關節與膝關節。鈷的化合物也用作於彩色玻璃、陶瓷與油漆，並作為瓷器琺瑯與油漆的乾燥劑。而近年在石油高漲的情形下，核能發電成為各國的電力發展策略，使得鈷的價格也居高不下。由於鈷為戰略金屬，全球蘊藏量不到千萬噸、年產量僅4萬噸左右，數量有限，因此鈷(Co)是影響電池性能中最關鍵的成本材料，使得鋰鈷電池成本受到限制。
舉例來說，請參照第1圖所示，中華民國公告第I535479號發明專利揭示一種回收有價金屬之方法，其中步驟S1利用一放電程序與一粉碎分選程序，去除廢二次鋰電池之外殼以取得含有鈷、錳、鎳、鋁及鋰之一正極材料粉體。步驟S2利用一鹼溶程序以沉澱去除粉體中之鋁金屬。步驟S3利用含有過氧化氫與硫酸之一酸液將粉體浸漬出含錳、鈷、鎳及鋰之一酸浸漬液。步驟S4利用一萃取劑對酸浸漬液進行錳、鈷、鎳及鋰之萃取，以分別生成含有錳之一第一油相溶液以及含有鈷、鎳及鋰之一第一水相萃餘液。步驟S5對第一水相萃餘液進行溶劑萃取，以分別生成含有鈷之一第二油相溶液以及含有鎳及鋰之一第二水相萃餘液。步驟S6利用一回收程序以分別自第一油相溶液之反萃液、第二油相溶液之反萃液及第二水相萃餘液回收錳、鈷、鎳以及鋰，其中回收程序可包含一化學沉澱反應或一電解反應，此化學沉澱反應係利用一氧化還原反應將金屬離子沉澱，而電解反應可將金屬離子還原成金屬元素。但上述的方法為先將鋁箔破碎後，利用一鹼性溶液將鋁溶解以去除，如此增加操作步驟造成操作時間長。且浸漬時間長，造成能源消耗而使得回收成本高。
然而，上述現有之廢鋰電池回收有價金屬之方法在實際使用上仍具有下述問題，例如：先將鋁箔破碎後，利用一鹼性溶液將鋁溶解以去除，如此增加操作步驟造成操作時間長。再 者，酸液浸漬時間長，造成能源消耗而使得回收成本高。
故，有必要提供一種廢鋰電池回收鈷的方法，以解決習用技術所存在的問題。特別是萃取時間長且成本高昂的問題。
本發明之主要目的在於提供一種廢鋰電池回收鈷的方法，其係利用簡化鋰電池回收處理步驟，以便提供快速的溶出方式，進而提升鋰電池中貴重金屬回收之效率。
本發明之次要目的在於提供一種廢鋰電池回收鈷的方法，其係利用一微波系統或一超音波系統中萃取，以降低處理浸漬溶出所需的時間，進而提高廢鋰電池回收鈷的效率。
為達上述之目的，本發明提供一種廢鋰電池回收鈷的方法，其包含步驟：(A)提供一廢鋰電池正極材料粉末；(B)將該鋰電池正極材料粉末加入一第一酸液，並置於一微波系統或一超音波系統中萃取，以形成一含鈷溶液；(C)將該含鈷溶液加入一過錳酸鉀溶液以去除該含鈷溶液中的錳，而得到一去錳含鈷溶液；(D)將該去錳含鈷溶液加入一萃取劑，以萃取得到一有機相含鈷萃取液；以及(E)將該含鈷萃取液加入一第二酸液進行反相萃取，以使鈷及自該有機相含鈷萃取液中分離，因而獲得一水相含鈷溶液。
在本發明之一實施例中，所述之廢鋰電池中回收鈷的方法，其中該步驟(A)中更包含一預處理步驟，該預處理步驟包含步驟：(i)提供一廢鋰電池；(ii)拆解該廢鋰電池，以取出該廢鋰電池中一正極部分；(iii)將該正極部分浸漬於N-甲基吡咯烷酮溶液中，以使一正極材料脫離並分離該廢鋰電池中之一鋁箔；(iv)將該正極材料以一鍛燒爐進行鍛燒以去除該正極材料中的雜質，以獲得一鍛燒正極材料；(v)將該鍛燒正極材料破碎以獲得該廢鋰電池正極材料粉末。
在本發明之一實施例中，所述之廢鋰電池中回收鈷的方法，其中N-甲基吡咯烷酮的浸漬溫度為80℃至100℃，浸漬時間為40至60分鐘；以及該正極材料於該鍛燒爐之鍛燒溫度為 500℃至700℃，鍛燒時間為1至3小時。
在本發明之一實施例中，所述之廢鋰電池中回收鈷的方法，其中於該步驟(iii)之前更包含一步驟：將該正極部分以磨碎機破碎成粉末狀後，並以60網目之篩網篩選該正極部分粉末，以獲得粒徑範圍小於60網目之一正極部分粉末。
在本發明之一實施例中，所述之廢鋰電池中回收鈷的方法，其中該第一酸液為硫酸、檸檬酸或琥珀酸。
在本發明之一實施例中，所述之廢鋰電池中回收鈷的方法，其中該步驟(B)更包含添加一還原劑，該還原劑的添加比例按體積百分比計為1%至4%。
在本發明之一實施例中，所述之廢鋰電池中回收鈷的方法，其中將該鋰電池正極材料粉末加入該第一酸液後置於該微波系統中萃取之反應溫度為40℃至100℃，萃取時間為5至40分鐘，固液比為15克/升至30克/升，且該第一酸液的莫耳濃度為1M至3M。
在本發明之一實施例中，所述之廢鋰電池中回收鈷的方法，其中該步驟(C)之反應時間為40分鐘至60分鐘，且反應酸鹼值為2至4。
在本發明之一實施例中，所述之廢鋰電池中回收鈷的方法，其中該步驟(D)之該萃取劑為二(2-乙基己基)磷酸，進行萃取之反應時間為15分鐘至75分鐘，反應酸鹼值為2至6，有機相與水相之比例為1至3，且該萃取劑之莫耳濃度為0.05M至1M。
在本發明之一實施例中，所述之廢鋰電池中回收鈷的方法，其中該步驟(E)之該第二酸液為鹽酸，該第二酸液之莫耳濃度為4M至6M，且反應時間為10分鐘至60分鐘。
在本發明之一實施例中，所述之廢鋰電池中回收鈷的方法，其中該步驟(E)之後更包含一步驟(F)，對該水相含鈷溶液進行一電解程序以回收鈷，該電解程序之操作條件為電流為0.5A至0.9A，電壓為3V至5V，且電解時間為7小時至10小時。
S1~S6‧‧‧步驟
21~25‧‧‧步驟
31~36‧‧‧步驟
第1圖：背景技術之廢鋰電池回收鈷的方法之流程方塊圖。
第2圖：本發明第一實施例之廢鋰電池中回收鈷的方法之預處理流程方塊圖。
第3圖：本發明第一實施例之之廢鋰電池中回收鈷的方法之流程方塊圖。
為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。再者，本發明所提到的方向用語，例如上、下、頂、底、前、後、左、右、內、外、側面、周圍、中央、水平、橫向、垂直、縱向、軸向、徑向、最上層或最下層等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明及理解本發明，而非用以限制本發明。
請參照第2及3圖所示，本發明第一實施例之廢鋰電池回收鈷的方法主要包含下列步驟：提供一廢鋰電池正極材料粉末；將該鋰電池正極材料粉末加入一第一酸液，並置於一微波系統或一超音波系統中萃取，以形成一含鈷溶液；將該含鈷溶液加入一過錳酸鉀溶液以去除該含鈷溶液中的錳，而得到一去錳含鈷溶液；將該去錳含鈷溶液加入一萃取劑，以萃取得到一有機相含鈷萃取液；以及將該含鈷萃取液加入一第二酸液進行反相萃取，以使鈷及自該有機相含鈷萃取液中分離，因而獲得一水相含鈷溶液。之後，可由水相含鈷溶液進行電解以回收鈷。任選地，在提供該廢鋰電池正極材料粉末之步驟之前，更可包含一預處理步驟，該預處理步驟包含步驟：提供一廢鋰電池；拆解該廢鋰電池，以取出該廢鋰電池中一正極部分；將該正極部分浸漬於N-甲基吡咯烷酮溶液中，以使一正極材料脫離並分離該廢鋰電池中之一鋁箔；將該正極材料以一鍛燒爐進行鍛燒以去除該正極材料中的雜質，以獲得一鍛燒正極材料；將該鍛燒正極材料破 碎以獲得該廢鋰電池正極材料粉末。本發明將於下文利用第2圖及第3圖配合說明書內文逐一詳細說明第一實施例之上述各步驟的實施細節及其原理。
請參照第2圖所示，本發明第一實施例之廢鋰電池回收鈷的方法首先係：提供一廢鋰電池。如第2圖所示之步驟21中，該廢鋰電池末係由一廢棄手機鋰電池所形成。可替代地，該廢鋰電池可以為其他來源的廢鋰電池，例如為電動汽車之廢鋰電池、電動自行車之廢鋰電池或者任何可充電電器使用之廢鋰電池等。於本發明之第一實施例為使用回收廢手機之鈷酸鋰或鎳錳鈷酸鋰電池。接著，該廢鋰電池可能還殘存些微電量，故在進行拆解電池之前須先將電池完整放電以確保安全。任選地，於本實施例中，可採用濕式放電法，浸泡於氯化鈉溶液方式來放電。
請參照第2圖所示，本發明第一實施例之廢鋰電池回收鈷的方法接著係：拆解該廢鋰電池，以取出該廢鋰電池中一正極部分。如第2圖所示之步驟22中，將電池的塑膠和鋼鐵以人工方式拆除，一般廢鋰電池含有正極、負極及隔離膜，因有價金屬大多存在於鋰電池的正極材料(LiCoO2)中，需要先進行拆解，以獲得正極材料。
請參照第2圖所示，本發明第一實施例之廢鋰電池回收鈷的方法接著係：將該正極部分浸漬於N-甲基吡咯烷酮溶液中，以使一正極材料脫離並分離該廢鋰電池中之一鋁箔。如第2圖所示之步驟23中，將該正極部分浸漬於N-甲基吡咯烷酮溶液中，以使一正極材料脫離。為避免後去萃取過程需另外對鋁進行處理，於浸泡NMP溶液後該廢鋰電池中之一鋁箔分離剝除，使該鋁箔於破碎之前取出，以降低後續處理之複雜度。優選地，其中N-甲基吡咯烷酮的浸漬溫度為80℃至100℃，浸漬時間為40至60分鐘。接著，任選地，將該去除鋁箔之正極材料進行乾燥處理。該乾燥處理可以為自然風乾，或經過烤箱烘乾等。
接著，請參照第2圖所示，本發明第一實施例之廢鋰電池回收鈷的方法接著係：將該正極材料以一鍛燒爐進行鍛燒以去除該正極材料中的雜質。如第2圖所示之步驟24所示，將該正極材料以一鍛燒爐進行鍛燒以去除該正極材料中的雜質，以獲得一鍛燒正極材料。該雜質可以為碳、 聚偏二氟乙烯與黏結劑等。優選地，該正極材料於該鍛燒爐之鍛燒溫度為500℃至700℃，鍛燒時間為1至3小時。於本實施例中，將該正極材料置於鍛燒爐中以700℃下鍛燒3小時。
接著，請參照第2圖所示，本發明第一實施例之廢鋰電池回收鈷的方法接著係：將該鍛燒正極材料破碎以獲得該廢鋰電池正極材料粉末。如第2圖所示之步驟25所示，將該鍛燒正極材料使用一磨碎機破碎(例如，一球磨機)，以減小顆粒尺寸，而形成該廢鋰電池正極材料粉末。於本實施例中，為促進溶出效率，將該正極部分以磨碎機破碎成粉末狀後，並以60網目(mesh)之篩網篩選該正極部分粉末，以獲得粒徑範圍小於60網目之一正極部分粉末。如此既可兼顧溶出效率及不用浪費太多時間在研磨時間上。
請參照第3圖所示，本發明第一實施例之廢鋰電池回收鈷的方法接著係：提供一廢鋰電池正極材料粉末。如第3圖所示之步驟31所示，將經過上述步驟預處理後之廢鋰電池正極材料粉末秤取一定重量，以提供後續步驟之操作。
請參照第3圖所示，本發明第一實施例之廢鋰電池回收鈷的方法接著係：將該鋰電池正極材料粉末加入一第一酸液，並置於一微波系統或一超音波系統中萃取，以形成一含鈷溶液。如第3圖所示之步驟32所示，將該鋰電池正極材料粉末加入一第一酸液。優選地，該第一酸液為檸檬酸、琥珀酸及硫酸。優選地，該該鋰電池正極材料粉末更加入有一還原劑(例如，雙氧水)。優選地，該還原劑的添加比例按體積百分比計為1%至4%。於該鋰電池正極材料粉末加入該第一酸液後，置於一微波系統或一超音波系統中進行萃取。優選地，該微波系統中萃取之反應溫度為40℃至100℃，萃取時間為5至40分鐘，固液比為15克/升至30克/升，且該第一酸液的莫耳濃度為1M至3M。經過萃取後，該鋰電池正極材料粉末中之金屬溶出於該第一酸液中而形成一含鈷溶液。萃取後之第一酸液更含有其他金屬(例如，錳或鋰等)。優選地，將萃取後之第一酸液進行一分離步驟(例如，過濾或離心等)，以去除萃取後之第一酸液中之固體物而取用澄清液。
接著，請參照第3圖所示，本發明第一實施例之廢鋰電池回 收鈷的方法接著係：將該含鈷溶液加入一過錳酸鉀溶液以去除該含鈷溶液中的錳，而得到一去錳含鈷溶液。如第3圖所示之步驟33所示，該含鈷溶液加入一過錳酸鉀溶液，優選地，該過錳酸鉀溶液的莫耳濃度為0.5M。該含鈷溶液加入該過錳酸鉀溶液後，原於該含鈷溶液內的錳離子因而沈澱。接著將加入該過錳酸鉀溶液的該含鈷溶液萃進行一分離步驟(例如，過濾或離心等)，以去除錳而得到一去錳含鈷溶液。優選地，該含鈷溶液加入該過錳酸鉀溶液後反應時間為40分鐘至60分鐘，且將反應酸鹼值調整為為2至4。
請參照第3圖所示，本發明第一實施例之廢鋰電池回收鈷的方法接著係：將該去錳含鈷溶液加入一萃取劑，以萃取得到一有機相含鈷萃取液。如第3圖所示之步驟34所示，該萃取劑為二(2-乙基己基)磷酸(D2EHPA)。萃取時，D2EHPA釋放-OH基上的氫離子，與被萃物陽離子發生交換反應，結果金屬陽離子進入有機相(為書寫方便，將其結構簡式用HA表示)，其萃取的化學反應式如下：Co2+(水相)+2HA(有機相)=CoA2(有機相)+2H+
優選地，本實施例將該去錳含鈷溶液加入該萃取劑進行萃取之反應時間為15分鐘至75分鐘，反應酸鹼值為2至6，有機相與水相之比例為1至3，且該萃取劑之莫耳濃度為0.05M至1M。
請參照第3圖所示，本發明第一實施例之廢鋰電池回收鈷的方法接著係：將該含鈷萃取液加入一第二酸液進行反相萃取，以使鈷及自該有機相含鈷萃取液中分離，因而獲得一水相含鈷溶液。如第3圖所示之步驟35所示，優選地，將該含鈷萃取液加入一鹽酸進行反相萃取。與金屬結合後生成的金屬鹽在與強酸作用時，D2EHPA的金屬鹽便發生水解，D2EHPA又以游離酸的形式存在，而金屬離子則進入水相，從而實現了反萃。
優選地，本實施例該第二酸液之莫耳濃度為4M至6M，且反應時間為10分鐘至60分鐘
請參照第3圖所示，本發明第一實施例之廢鋰電池回收鈷的 方法最後係：對該水相含鈷溶液進行電解，以回收鈷。如第3圖所示之步驟36所示，將上述進入水相的含鈷溶液一電解程序以回收鈷，以回收鈷。優選地，該電解程序之操作條件為電流為0.5A至0.9A，電壓為3V至5V，且電解時間為7小時至10小時。
藉由上述步驟，本發明第一實施例即可在該微波系統或該超音波系統中萃取，特別是在上述優選的操作條件下萃取，以增加萃取效率。由於微波系統或超音波系統中提昇萃取效率，故有利於進一步所短所需之萃取時間。同時，亦能增加萃取率，因而降低廢鋰電池鈷之回收成本。
本發明第二實施例之廢鋰電池回收鈷的方法係相似於本發明第一實施例，唯在使用微波系統或超音波系統於酸液萃取下與傳統浸漬萃取效率之差異性比較。如下表1所示。
表1示出了使用不同方法對於鈷之溶出效率，其中組別I為使用傳統浸漬(僅加溫，不使用微波或超聲波)，其條件為利用莫耳濃度2M之硫酸並添加2vol%之還原劑，在固液比為20克/升、溫度80℃之條件下浸漬60分鐘。組別II為使用微波萃取，其條件為利用莫耳濃度2M之硫酸並添加2vol%之還原劑，在固液鈷溶出效率比為25克/升、溫度80℃之條件下浸漬5分鐘。組別III為使用超聲波萃取，其條件為利用莫耳濃度2M之硫酸並添加2vol%之還原劑，在固液比為20克/升、溫度60℃之條件下浸漬60分鐘。從鈷溶出效率顯示，使用微波萃取對於鈷溶出效率最佳，其 可大幅縮短萃取時間，且可將萃取時的固液比拉高至25克/升。
相較於該第一實施例，該第二實施例係進一步顯示使用微波萃取於上述操作條件下較佳於傳統浸漬及超聲波萃取。藉此，不但可縮短萃取時間，並可增加萃取時的固液比，因而進一步相對增加鈷的萃取效率。
雖然本發明已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本發明，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (11)

  1. 一種廢鋰電池中回收鈷的方法，其包含步驟：(A)提供一廢鋰電池正極材料粉末；(B)將該鋰電池正極材料粉末加入一第一酸液，並置於一微波系統或一超音波系統中萃取，以形成一含鈷溶液；(C)將該含鈷溶液加入一過錳酸鉀溶液以去除該含鈷溶液中的錳，而得到一去錳含鈷溶液；(D)將該去錳含鈷溶液加入一萃取劑，以萃取得到一有機相含鈷萃取液；以及(E)將該含鈷萃取液加入一第二酸液進行反相萃取，以使鈷及自該有機相含鈷萃取液中分離，因而獲得一水相含鈷溶液。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之廢鋰電池中回收鈷的方法，其中該步驟(A)中更包含一預處理步驟，該預處理步驟包含步驟：(i)提供一廢鋰電池；(ii)拆解該廢鋰電池，以取出該廢鋰電池中一正極部分；(iii)將該正極部分浸漬於N-甲基吡咯烷酮溶液中，以使一正極材料脫離並分離該廢鋰電池中之一鋁箔；(iv)將該正極材料以一鍛燒爐進行鍛燒以去除該正極材料中的雜質，以獲得一鍛燒正極材料；(v)將該鍛燒正極材料破碎以獲得該廢鋰電池正極材料粉末。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之廢鋰電池中回收鈷的方法，其中N-甲基吡咯烷酮的浸漬溫度為80℃至100℃，浸漬時間為40至60分鐘；以及該正極材料於該鍛燒爐之鍛燒溫度為500℃至700℃，鍛燒時間為1至3小時。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之廢鋰電池中回收鈷的方法，其中於該步驟(iii)之前更包含一步驟：將該正極部分以磨碎機破碎成粉末狀後，並以60網目之篩網篩選該正極部分粉末，以獲得粒徑範圍小於60網目之一正極部分粉末。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之廢鋰電池中回收鈷的方法，其中該第一酸液為硫酸、檸檬酸或琥珀酸。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之廢鋰電池中回收鈷的方法，其中該步驟(B)更包含添加一還原劑，該還原劑的添加比例按體積百分比計為1%至4%。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之廢鋰電池中回收鈷的方法，其中將該鋰電池正極材料粉末加入該第一酸液後置於該微波系統中萃取之反應溫度為40℃至100℃，萃取時間為5至40分鐘，固液比為15克/升至30克/升，且該第一酸液的莫耳濃度為1M至3M。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之廢鋰電池中回收鈷的方法，其中該步驟(C)之反應時間為40分鐘至60分鐘，且反應酸鹼值為2至4。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之廢鋰電池中回收鈷的方法，其中該步驟(D)之該萃取劑為二(2-乙基己基)磷酸，進行萃取之反應時間為15分鐘至75分鐘，反應酸鹼值為2至6，有機相與水相之比例為1至3，且該萃取劑之莫耳濃度為0.05M至1M。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之廢鋰電池中回收鈷的方法，其中該步驟(E)之該第二酸液為鹽酸，該第二酸液之莫耳濃度 為4M至6M，且反應時間為10分鐘至60分鐘。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之廢鋰電池中回收鈷的方法，其中該步驟(E)之後更包含一步驟(F)，對該水相含鈷溶液進行一電解程序以回收鈷，該電解程序之操作條件為電流為0.5A至0.9A，電壓為3V至5V，且電解時間為7小時至10小時。
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