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电池材料接纳技能探究
发布时间:2019-06-18 14:51:47

电池材料接纳技能探究


锂离子电池由正极、负极、电解液、隔膜、集流体、外壳等部分构成。将电池的正极材料、导电剂及有机黏结剂平均混淆后涂抹铝箔集流体两侧,将负极材料、导电剂、有机黏结剂平均混淆后涂抹铜箔集流体两侧,正负极中心用隔膜离隔,均浸有机电解液中,着末用外壳包裹。废旧锂离子电池接纳之前必需彻底放电确保对人身没有损伤后再举行拆解,除去外壳,分别电极正、负极材料、集流体、电解液等,然后再举行下一步的接纳。


一、概述


锂离子电池因其优异的运用功用如电压高、比容量大、无记忆效应等深受各电子产品制制厂商的喜爱,产量逐年增大。锂离子电池目前已深化到我们义务和生存的每一个角落,可以说是到处可睹,手机、电脑、相机、充电宝、电动自行车、新能源汽车等都将锂离子电池举措抱负的电源。目前天地锂离子电池总的消耗量78亿只尊驾。


目前我国手机总产量已超越20亿部,假如一部手机配一块锂离子电池,这些电池的平均寿命为3年,那么3年后,我们身边的废旧锂离子电池数目就可以抵达数以百亿块。这还不包罗条记本电脑、照相机、充电宝等常用配备中所运用的锂离子电池。跟着新能源汽车的日益普及,锂离子电池新能源汽车上的运用又将发动锂离子电池的生产。从手机到电动自行车再到电动汽车,生存中的废旧锂离子电池越来越众,而资源却愈加告急,环保请求日益厉厉,面临数以万计的废旧锂离子电池若处理欠好,人们的身体康健将直接或间接地受到损伤。


手机锂离子电池用时间久了会呈现饱包现象,受外力后可以呈现破损,电池中含有不稳定的电解质溶液,走漏会污染状况。其电解质六氟磷酸锂(LiPF6)潮湿的气氛中会剖析生成无益物质,而碳酸酯类有机溶剂会对水、大气和土壤变成告急污染,告急损害生态体系。即使废锂电池没有爆发破损现象,但假如与生存垃圾一同填埋,久而久之,分泌的重金属钴、铜等也会对状况构成潜的污染。数据显示,1个20g的废旧手机锂电池可污染6 000m3的水资源、污染1km2的土地长达50年尊驾。可睹,假如将数以百亿块的手机废电池随便和垃圾一同处理,对人类状况所变成的污染可念而知。


实,废旧锂电池可以接纳再应用,如少许有价重金属极具接纳代价。一般,废旧锂离子电池中钴、锂、镍的比例区分为5%~15%、2%~7%、0.5%~2%,这些金属都是一次资源。特别是金属钴,因没有独自的矿床,大众伴生于铜、镍矿中,且品位较低,故十分希罕、价钱较贵,假如取得有用接纳可缓解我国钴资源紧缺的题目。除此除外,废旧锂电池中还含有铜、铝、铁等金属元素,都可以接纳再应用,完成物尽其用、变废为宝,不光状况效益分明,而且经济效益客观。


废旧锂电池接纳处理,有帮于变成“生产—接纳—再生产”的轮回链,办理废旧锂电池污染和废物应用的题目,完成新能源汽车的继续开展,缓解我国计谋金属资源紧缺场面。


二、锂离子电池接纳处理技能


锂离子电池由正极、负极、电解液、隔膜、集流体、外壳等部分构成。将电池的正极材料、导电剂及有机黏结剂平均混淆后涂抹铝箔集流体两侧,将负极材料、导电剂、有机黏结剂平均混淆后涂抹铜箔集流体两侧,正负极中心用隔膜离隔,均浸有机电解液中,着末用外壳包裹。废旧锂离子电池接纳之前必需彻底放电确保对人身没有损伤后再举行拆解,除去外壳,分别电极正、负极材料、集流体、电解液等,然后再举行下一步的接纳。


1. 锂离子电池外壳的接纳


锂电池外壳有钢壳(方型很少运用)、铝壳、镀镍铁壳(圆柱电池运用)、铝塑膜(软包装)等,另有电池的盖帽,即电池正负极的引出端。接纳外壳前需对废旧锂电池举行放电预处理后方可拆解,拆解后的塑料及铁外壳可以接纳。一般有:板滞破坏与筛分法,即通过板滞破裂、过筛、分选出外壳材料;手工拆解,思索到对人体的损伤状况尽量不采用这种方法;低温冷冻后拆解,该工艺技能十分环保,但只可接纳部分金属材料和锂盐,回奏服从低,无法对塑料完成有用接纳。


2. 正极材料的接纳


锂离子电池以含锂的化合物作正极,只要锂离子,无金属锂。一般为锰酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰酸锂等材料,目前阵势部的锂离子电池正极的活性物质仍采用钴酸锂,因镍钴锰酸锂联合了锰酸锂和钴酸锂两者材料的优势,吸引了浩繁研讨者的兴味,举措电动自行车和电动汽车的动力电池颇具潜力。


跟着这种不可再生矿产资源的耗竭,且正极材料占电池总资本的40%,假如将正极材料中的钴、镍、锂等重金属举行有用接纳,变废为宝,完成材料的轮回应用,既可以缓解矿产资源危急又完成可继续开展,同时还将带来庞大的经济效益。


(1)活性物质与集流体的分别

起首得将正极活性物质与导电集流体铝箔有用分别,才干完成正极材料的接纳,目前常用的方法有:

①刮片。直接将正极材料从铝箔上刮下来,该方法会将铝箔集流体刮破,发生集流体碎屑,使正极活性物质与铝箔混一同难以分别。

②高蔚蕾烧。通过高蔚乐解去除有机黏结剂,分别锂电池构成材料,使电池中的金属及其化合物氧化、还原并剖析,以蒸气方式挥发后,再举行冷凝搜罗。

③有机溶剂熔化。依据有机物熔化有机物的原理,采用适宜的有机溶剂熔化掉正极材料中的有机黏结剂聚偏氟乙烯( PVDF ),从而将活性物质从铝箔上剥离下来。目前研讨较众的是有机溶剂——N -甲基吡咯烷酮(NMP),实行标明NMP70℃时浸泡处理正极钴锂膜可将活性物质完备剥离,铝箔的金属样式不爆发任何改动可直接接纳,运用后的有机溶剂可以通过蒸馏的方法将黏结剂脱除完成轮回运用,独一的缺陷是NM P价钱太贵约3万元/ t,高额的资本使其运用受到限制。

④电解剥离。采用电解工艺分别电池正极材料与铝箔集流体。以废锂电池正极为阴极,铅为阳极,溶有柠檬酸的稀硫酸溶液为电解液,必定的电流密度下电解15 ~30 min,活性物质从铝箔上零落掉入溶液中,过滤取得电解液与电池渣。钴低酸度条件下其浸出率抵达50%,电流服从抵达70%以上。


(2)活性物质的接纳

①酸浸出:将分别取得的正极活性物质硫酸与过氧化氢的体系中浸出取得Co2+和Li +,然后将含Co2+和Li +的浸出液先用二(2-乙基己基)磷酸酯(P2O4)萃取剂除去此中的杂质离子,再用乙基己基磷酸单-2-乙基己酯(P5O7)萃取剂萃取分别水相中的钴离子,取得的富钴有机相。

②碱浸出:电解剥离正极活性物质时,外层的铝会爆发氧化而生成一层致密的氧化膜,与酸反响生成铝离子而进入溶液中,而铝离子对萃取剂具有毒性,故除铝效果不睬念的话直接对分别效果发生影响。故先采用先碱浸接纳铝后再酸浸接纳钴和锂。碱浸接纳铝的最佳条件是:温度90℃、10% 氢氧化钠(NaOH)溶液,铝的接纳率抵达96%;酸溶接纳钴、锂的最佳条件是:温度90℃、4 mol / L硫酸溶液、固—液比1∶ 8、反响时间100 min,钴、锂的浸出率抵达92%。该方法可以接纳废旧锂离子电池中有价金属,工艺流程简单,对状况无二次污染,具有必定的适用代价。

③采用生物质秸秆硫酸体系浸出电池渣,钴的浸出率抵达99%以上。且通过2级、3级浸出工艺,浸出液中的酸与有机污染物(COD)取得充沛应用。对浸出的钴采用草酸重淀,制备出的电池材料具有较好的放电功用[7]。

④通过化学反响直接生成正极材料。上述几种方法都是先将铝、钴分别出来,若要取得正极材料还需举行进一步的合成,工艺进程繁杂,资本高。假如分别的进程中直接合成取得正极材料,则可以大大简化生产工艺,进步经济效益。废极片中正极材料只是运用进程中构造爆发了劣化,只消有用分别后举行调解就可以从头运用。直接归纳应用废旧锂离子电池的锂、镍、钴、锰等有价金属,不需对镍、钴、锰、锂等元素举行分别,元素应用率高,节省原料资本。


3. 负极材料的接纳


锂电池负极材料的品种繁众:①金属材料,如锂金属。②无机非金属材料,重假如碳材料、硅材料及其他非金属的复合材料。③过渡金属氧化物。目前运用较众的是碳、石墨类和非石墨类碳材料。钛酸锂因具有十分优异的轮回寿命、平安性和倍率功用,也可举措负极材料电动汽车上运用,主要的缺陷是会低沉电池的能量密度。也有少许公司开辟用锡合金作负极材料,但仍处于研讨阶段,运用较少。导电集流体运用厚度7 ~15μm的电解铜箔,故可以接纳此中的铜(含量达35%尊驾),关于粘附于其上的碳粉,也可接纳用作塑料、橡胶等的添加剂。于是,起首得对废锂电池负极构成材料举行有用分别,最大限制地完成废锂电池资源化应用。


通过锤振破裂有用完成碳粉与铜箔间的互相剥离,再依据颗粒间尺寸差和样式差的振动过筛初阶分别铜箔与碳粉。铜箔大于0.250 mm 粒级范围内富集而碳粉小于0.125 m m 粒径范围内富集,依据粒径差别可直接举行接纳应用。


关于粒径为0.125 ~0.250 mm的破裂颗粒,采用气流分选法完成铜与碳粉间的有用分别。通过锤振破裂、振动筛分与气流分选组合工艺可完成废锂电池负极材料中金属铜与碳粉的资源化应用。


4. 有机电解液及隔膜的接纳


关于数码类废旧锂离子电池电解液大众不接纳,一般采用火法将其烧掉;而举措动力电源的锂离子电池其电解液占电池资本的15%尊驾,含有丰


富的锂离子,接纳代价较高。而且目前常用的电解液一般都选用LiPF6的碳酸脂类有机溶液,潮湿的气氛中,LiPF6会水反响生成无益气体氟化氢,可睹,有用接纳电解液不光可以淘汰无益气体排放,还具有必定的经济效益。锂电池的隔膜带有微孔构造,可以禁止电子通过而使锂离仔≡通过,一部分电解质疏散于电极和隔膜的清闲中,故一并将隔膜举行接纳处理。


电极、隔膜适宜的溶剂中浸泡必定时间后,电解质将完备脱出进入溶剂中。聚碳酸酯(PC)相对介电常数较大,有利于锂盐的熔化。童东革、赖琼钰、吉晓洋等将电解质和隔膜PC溶剂中浸泡一段时间后,接纳取得的电解质LiPF6可从头用于电池。


加拿大的一家公司曾通过低温技能低沉电解液中各组分的相对活性,然后用NaOH溶液对电解液举行中和从而完成对锂电池电解液的接纳处理。


三、锂电池接纳所面临的窘境


1. 人们对废旧锂电池接纳的看法单薄


大大都人关于运用后的废旧锂电池不知如那处置,政府也没有设立特别的接纳机构,导致大宗的锂电池跟着垃圾一同掩埋;另一方面废旧锂电池的接纳需有足够的接纳量才有从头应用的代价,政府机构需鼎力宣扬锂电池的接纳的原理叫醒大众的接纳看法,铺设接纳网络,变成废旧锂电池的接纳体系。


2. 废旧锂电池接纳处理繁杂,资本高


废旧锂电池颠末材料拆分后,需经众道工序举行接纳,工艺较为繁杂,于是,这是一门费时辛劳、经济效益又低的生意,没有企业乐意去做。目前还没有相关的计谋支撑锂电池的接纳,且状况方面暂时也没有受到太大影响。


3. 政府帮助力度不敷


计谋法例配套还不敷完美。目前锂离子电池的接纳基本是小公司做,还未成气候,动力锂电池接纳、拆解的产业标准,接纳渠道的标准化、范围化,跟着产业范围的扩展,另有待进一步完美。


四、展望


跟着科技的开展,锂电池平安性及运用寿命方面都有了很大的进步,但锂电池的接纳应用没有跟上步调。跟着新能源汽车需求的厉密攀升,锂离子电池将会求过于供,若只要制制电池的企业,没有电池接纳机构,废电池无处处理,新能源的开展也就丢失了其原有的原理。有专家预测废旧动力锂电池接纳墟市将从2018年开端爆发,3 ~5年后的接纳墟市范围将进一步疯长,故修立特别的接纳机构对动力锂离子电池举行接纳再应用已迫眉睫。总之,完成锂电池的可继续开展与缓解能源危急、生态状况、节能减排等联系亲密,利国利民,对工业开展具有庞大的促进感化。


稿件根源: 新材料产业
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