TWI753719B - 用於廢電池放電的焦粉及其方法 - Google Patents

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Abstract

本發明公開了一種廢電池回收的放電方法及放電劑，於銷毀廢電池前，將廢電池浸沒在焦粉中，形成放電電路，移除廢電池上的剩餘電量。透過溫度和/或溫度變化趨勢可測量放電效能，其隨焦粉電阻率而變化。電阻率隨焦粉的含碳比以及與廢電池的接觸品質而可變，調整施加在焦粉上的壓力，可調節接觸品質。本發明透過壓力調整而控制放電效能，滿足效率和安全性的放電要求。

Description

用於廢電池放電的焦粉及其方法
本發明涉及一種廢電池回收的放電劑和放電方法，尤其是利用焦粉作為放電劑及放電方法。
在未來的4-5年中，每年將會有很多通常作為動力電池的鋰電池淘汰，在回收廢舊的鋰電池前，有必要釋放電池中的剩餘電量，以滿足工作安全和環境安全的要求。已知的放電方法，如設備放電、鹽水放電和石墨放電等。
設備放電是將廢電池連接至裝置，形成放電廻路，而移除電池的殘留電能。針對不同類型的電池，需有特定的放電迴路，導致效率低而無法滿足工業規模的需求。
鹽水放電是將廢電池浸入鹼溶液或酸溶液中，利用溶液吸收放電電能量。陰極附近會產生大量的氫氣，且鹽溶液洩漏會污染環境，環境安全風險疑慮高。
石墨放電為一種乾式放電，以石墨粉末作為放電劑，覆蓋廢電池。石墨具有高電導率而能夠快速釋放電池的電賀，這容易引起公共安全和環境安全的風險。
液態氮放電是將廢電池沉浸於液態氮中，在極低溫度下，電池失去活性，而可以安全地銷毀。由於液態氮的成本非常高，工業規模受到限制。
本發明的放電方法和材料，提供可規模應用、高效放電、工作場所安全和環境安全的回收廢電池放電之解決方案。
焦粉得作為廢電池回收的放電劑，具有豐富碳組成的一種材料。通常被用作回收廢電池中的放電劑的焦粉含有65~99wt%的碳組合物、0.5~18wt%的灰組合物、0.5~3wt%的揮發性組合物和0.5~13wt%的水，具有不確定的晶型結構，電阻率約為0.08~0.35Ω.cm，比熱容約為0.78~1.5kJ/(kg‧K)，導熱係數為2.09~2.91kJ/(m‧h‧K)，顆粒尺寸約0.1~0.6毫米。
利用焦粉進行廢電池回收的放電方法包括：(1)在一容器內，將廢電池包裹於焦粉中至5-10公分厚；(2)放電期間，監測溫度和/或溫度趨勢；(3)根據溫度和/或溫度趨勢如下方式，調節施加在焦粉上的壓力：(a)如果溫度變化趨勢高於溫度上升閾值，則降低壓力；(b)如果溫度變化趨勢低於溫度下降閾值，則增加壓力；以及(c)如果達到截止條件，則停止壓力。
本發明的放電方法也可適用於半設備放電方法的廢電池，即可調整放電效率。
100~900:步驟
圖1是本發明的焦粉放電流程圖。
圖2是電阻率與焦粉粒徑的曲線圖。
以下各實施例配合圖式，用以說明本發明之精神，讓本技術領域之人士能清楚理解本發明之技術，但非用以限制本發明的範圍，本發明之專利權範圍應由請求項界定。特別強調，圖式僅為示意之用，並非代表元件實際之尺寸或數量，部份細節可能也不完全繪出，以求圖式之簡潔。
本發明的焦粉包含65~99wt%的碳組合物、0.5~18wt%的灰組合物、0.5~3wt%的揮發性組合物和0.5~13wt%的水，且具有不確定晶型結構。焦粉的顆粒尺寸約0.1~0.6毫米、電阻率約0.08~0.35Ω.cm、比熱容約0.78~1.5kJ/(kg‧K)，導熱係數約2.09~2.91kJ/(m‧h‧K)。本發明利用焦粉作為回收廢電池的放電劑，碳組成提供電導率，調節碳的比例可以調節電導率。此外，發明人發現調節焦粉末上的壓力可調整電導率，因而利用此可控性調節廢電池的放電效能。
在一實施例中，所使用焦粉的電阻率約0.08~0.35Ω.cm，熱導率約2.64kJ/(m．h．k)。在一較佳實施例中，電阻率約0.1~0.2Ω.cm，碳組成約80~90wt%。下表1顯示此實施例焦粉的組成(wt%)：
Figure 109145932-A0305-02-0005-1
通常，焦碳的粒徑越大，電阻率越小，但廢電池和焦粉的接觸面積較小，接觸品質變差。電阻率(導電率)和接觸品質是影響放電效能的主要因素。圖2顯示了不同粒徑的電阻率，粒徑範圍從0.1~1.5mm，粒徑落在0.1~0.6mm內，有較佳的放電校能。
導電率隨粒徑變大而提高，但粒徑大於1.0mm時，焦碳顆粒與廢電池的有效接觸面積減小，降低了放電效能。實驗數據表明，粒徑在1.5mm以內的焦粉具有良好的放電效果，較佳的粒徑落在0.25-0.6mm。特別放電溫度可以低於60℃，其作為放電安全的臨界溫度。較佳的是在安全溫度下，具有高放電率。安全溫度與廢電池的種類和類型有關。
放電方法是將廢電池包裹(浸入)在焦粉中至一定的厚度，本實施例是5~10公分，因而形成放電電路。監測廢電池的溫度變化或電壓以了解放電狀態，並據以調整施於焦粉的壓力，以控制放電速度。增加壓力可加快放電速度，或降低壓力可降低放電速度。通過放電的溫度變化趨勢可感測放電速率，溫度變化趨勢大具有快放電速率，溫度變化趨勢小具有慢放電速率。因此，在放電期間，可以根據溫度變化趨勢，調整焦粉上的壓力以控制放電速率，並觀察廢電池的電壓變化。
在一些實施例中，溫度變化趨勢的(上升/下降)閾值設定是±2℃。當溫度變化趨勢高於2℃，放慢放電速度；當溫度變化趨勢低於-2℃，增加放電速度。回收廢電池的放電過程中，利用溫度變化趨勢的上升/下降閾值，可控制放電速率。
放電停止的情況包括異常停止和完成停止。放電過程中，當溫度變化趨勢上升並達到臨界溫度(通常為60℃)，則消除焦粉上的壓力，避免廢電池 放電太快而爆炸，引發工作場所安全風險。通常，如果放電溫度如高於60℃，廢電池有爆炸的疑慮。
當溫度已接近環境溫度和/或廢電池的電壓低於1伏，表示廢電池幾乎已完全放電，卸除焦粉上的壓力後，從容器中取出廢電池。焦粉可回收再作為放電劑，使用於另一批廢電池。
圖1本發明一實施例的焦粉放電流程圖，如下所述：步驟100：將焦粉鋪設於容器底部，至5~10公分厚；步驟200：將廢電池放在焦粉上；步驟300：持續鋪設焦粉，覆蓋廢電池，至覆蓋厚度達5~10公分；步驟400：利用溫度傳感器和/或電壓傳感器監測廢電池放電的溫度和/或電壓；步驟500：在焦粉上設置壓板；步驟600：計算溫度變化趨勢；步驟710：判定放電狀態是否異常、步驟720：判定放電狀態是否完成、或步驟800：根據溫度變化趨勢，調節焦粉上的壓力；步驟910：異常或放電完成時，釋放焦粉上的壓力；以及步驟900：終止放電。
在一實施例中，壓力調節範圍是0~2000牛頓(N)，每次的調節值為500N，在下表2中列出：
Figure 109145932-A0305-02-0007-2
有幾種方法可判定放電完成：
(1)第一種為溫度判斷法：當電池放電溫度已下降，接近環境溫度。例如，電池溫度與環境溫度差
Figure 109145932-A0305-02-0008-6
3℃。
(2)第二種電壓判斷法：當廢電池的電壓已降至1伏以下。此實施例的臨界電壓被設置為0.5V。
表3利出不同電池的放電，放電過程中的最高溫度和完成時間。
Figure 109145932-A0305-02-0008-3
此方法也適用於半設備放電之廢舊電池，放電過程的最高溫度和完成時間，如表4所列。
Figure 109145932-A0305-02-0008-4
針對廢電池(3400mAh 18650)，表5列出不同焦粉粒徑下，放電完成所需時間和最高溫度：
Figure 109145932-A0305-02-0008-5
應用本發明焦粉放電的裝置包括容器、溫度傳感器和/或電壓傳感器、壓板以及控制單元。
容器用以乘載焦粉和廢電池。
溫度傳感器連接到廢電池，或埋在廢電池附近的焦粉中，或容器的內壁，或貼附在廢電池的表面。電壓傳感器連接於廢電池的陰極和陽極，例如以磁鐵磁接之方式。
壓力板設置在容器的頂部，透過壓力板對焦粉施加壓力以調節焦粉與廢電池的接觸品質。
控制單元連接到溫度傳感器，及/或電壓傳感器，以及壓力板，而能夠計算溫度變化趨勢，並據以調整壓力板，而能夠調整施加在焦粉表面的壓力。
廢電池包括鋰離子電池、鎳鎘電池、鋅電池、鎳氫電池、一次性電池或可充電(二次)電池、或單芯電池或模組電池等類型。
100~900:步驟

Claims (19)

  1. 一種用於回收廢電池的放電方法，包括：於一容器中，以焦粉覆蓋一廢電池至一包裹厚度，形成該廢電池的陰極和陽極之間的一放電廻路，其中焦粉包含一碳成分為65~99wt%、一灰(ash)成分為0.5~18wt%、一揮發性成分為0.5~3wt%以及水成分為0.5~13wt%，其中焦粉具有一電阻率為0.08~0.35Ω.cm、一比熱容為0.78~1.5kJ/(kg．K)、一導熱係數為2.09~2.91kJ/(m．h．K)以及一粒徑為0.1~0.6mm；於放電期間，監測的一溫度和一溫度變化趨勢；根據該溫度或該溫度變化趨勢，透過焦粉表面上的一壓板調整施加於焦粉的壓力，以調整放電速率，方式如下：當該溫度趨勢高於一溫度上升閾值，則降低壓力；當該溫度趨勢低於一溫度下降閾值，則增加壓力；以及當達到一終止條件，則解除焦粉的壓力。
  2. 如請求項1所述的用於回收廢電池的放電方法，其中該包裹厚度為5~10cm。
  3. 如請求項1所述的用於回收廢電池的放電方法，其中調節壓力的步驟包括：當該溫度趨勢低於一下降閾值時，增加壓力以加快放電速率；或當該溫度趨勢高於一上升閾值時，降低壓力以減慢放電速率；或當該溫度趨勢在該上升閾值和該下降閾值之間時，保持壓力以維持放電速率。
  4. 如請求項3所述的用於回收廢電池的放電方法，其中該上升閾值為2℃。
  5. 如請求項3所述的用於回收廢電池的放電方法，其中該下降閾值為-2℃。
  6. 如請求項1所述的用於回收廢電池的放電方法，其中該終止條件為一異常狀態，該異常狀態為放電溫度達到一特定溫度，且該溫度趨勢持續上升。
  7. 如請求項6所述的用於回收廢電池的放電方法，其中該特定溫度為60℃。
  8. 如請求項1所述的用於回收廢電池的放電方法，其中該終止條件為一放電完成狀態，該放電完成狀態為放電溫度已經下降到一環境溫度的一特定溫度以下。
  9. 如請求項8所述的用於回收廢電池的放電方法，其中該特定溫度為3℃。
  10. 如請求項1所述的用於回收廢電池的放電方法，其中該終止條件為一放電完成狀態，該放電完成狀態為該廢電池的一最大電壓已經低於一臨界電壓。
  11. 如請求項10所述的用於回收廢電池的放電方法，其中該臨界電壓為0.5~1伏。
  12. 如請求項1所述的用於回收廢電池的放電方法，其中該廢電池為一一次性電池或一可充電(二次)電池。
  13. 如請求項1所述的用於回收廢電池的放電方法，其中該廢電池為一鋰鐵電池。
  14. 如請求項1所述的用於回收廢電池的放電方法，其中該廢電池為一單芯電池。
  15. 如請求項1所述的用於回收廢電池的放電方法，其中包裹廢電池的步驟包括：將焦粉以一底部厚度鋪置在該容器中；在焦粉上至少放置一廢電池；以及將焦粉連續地掩埋該廢電池至一掩埋厚度。
  16. 如請求項15所述的用於回收廢電池的放電方法，其中該底部厚度以及該掩埋厚度為5~10cm。
  17. 一種用於回收廢電池的焦粉，包括：一碳成分為65~99wt%、一灰(ash)成分為0.5~18wt%、一揮發性成分為0.5~3wt%以及水成分為0.5~13wt%，其中焦粉具有一電阻率為0.08~0.35Ω.cm、一比熱容為0.78~1.5kJ/(kg．K)、一導熱係數為2.09~2.91kJ/(m．h．K)以及一粒徑為0.1~0.6mm。
  18. 如請求項17所述的用作放電劑以回收廢電池的焦粉，其中該碳成分為80~90wt%。
  19. 如請求項17所述的用作放電劑以回收廢電池的焦粉，其中該粒徑為0.25~0.6mm。
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