CN111313121A - 一种锂电池破碎制备正负极废粉的方法与制备*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锂电池破碎制备正负极废粉的方法，包括以下步骤：(1)将锂电池电芯在氮气保护下破碎，得到粗碎产品；(2)将粗碎产品进行一段加热，得到一段加热产物；所述一段加热的温度为60‑110℃；(3)将一段加热产物进行分选得到初级废料；(4)将初级废料制粉、二段加热得到二段加热产物；所述二段加热的温度为240‑310℃；(5)对二段加热产物进行选粉操作分离得到铜铝和初级正负极废粉。本发明还相应提供一种锂电池破碎制备正负极废粉的制备***。本发明的方法与制备***各步骤之间组合合理，达到提高废粉回收率的目的，同时也可以减少铜铝产品中废粉的含量，可以提高铜铝与废粉的分离效率。
Description
技术领域
本发明属于二次资源综合利用技术领域，尤其涉及一种锂电池回收利用的方法与***。
背景技术
近年来，随着世界能源紧张局势的不断恶化，国内外都通过政策引导及发放补贴来大力扶持本国新能源汽车产业发展。目前我国针对新能源汽车产业进行大力扶持，旨在通过新能源汽车实现汽车制造业弯道超车，因此近年来我国新能源汽车销量得到了大幅提升。2017年我国新能源汽车全年累计总销77.7万辆，同比增长53％；其中，纯电动全年累计销量65.2万辆，插电式混动全年累计12.5万辆。国内新能源汽车的销量预计将在2020年超过200万辆，未来销量的年同比增速将超过40％。目前我国新能源汽车多采用磷酸铁锂、三元、锰酸锂、钴酸锂类锂电池作为动力电池，而锂电池在循环过程中容量会衰减，未来两到三年内将有大批量动力锂电池进入退役期。
锂电池中的有机物主要可以分为以下几种：1、大片的塑料、橡胶、隔膜等；2、电解液，含括六氟磷酸锂(LiPF6)和碳酸酯类(碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯)等；3、分散剂、粘结剂等，主要是PVDF。
现有的锂电池破碎制备废粉的方法主要有以下三种：1、无保护破碎-常温分选制备废粉。该方法简单粗暴，电解质六氟磷酸锂直接暴露在空气中并分解，产生有毒有害的氟化氢和五氟化磷等，部分有机电解液也挥发到空气中产生异味，生产环境不环保，且不能除去粘结剂PVDF等；2、无保护/氮气保护破碎-全组分无氧热解。该方法原理上能一次性处理锂电池中的有机物，但由于大量的大片有机物和低熔点金属铝进入热解工序，造成热解温度不能高于铝的熔点，从而造成有机物热解时间长、不彻底等问题，实际应用效果不好。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种可以提高铜铝与废粉的分离效率、减少铜铝产品中废粉的含量、提高废粉的回收率的锂电池破碎制备正负极废粉的方法与制备***。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种锂电池破碎制备正负极废粉的方法，包括以下步骤：
(1)将锂电池电芯在氮气保护下破碎，得到粗碎产品(根据原料电池电芯不同，一般粗碎产品可以为过18-50mm筛孔的产品)；上述在氮气保护下破碎的时间短，且由于有保护性气氛，一般不会造成电池短路发热等现象；
(2)将步骤(1)中的粗碎产品进行一段加热，得到一段加热产物；所述一段加热的温度为60-110℃；
(3)将步骤(2)中的一段加热产物进行分选得到初级废料；分选包括磁选、风选，上述磁选用于除去铁磁性物质，风选用于除去大片有机物(如塑料、橡胶、隔膜等)和大块状的铜块/铝块，即风选过程去掉上部轻物质与底部重物质，保留中间物质；
(4)将步骤(3)中的初级废料制粉、二段加热得到二段加热产物；所述二段加热的温度为240-310℃；上述二段加热与制粉这两工艺步骤的位置可以调换，优选先制粉再二段加热；考虑到上步骤中的磁选、风选后得到的中间物质可能还含有很少量的隔膜、橡胶等物质，可以在制粉后增设一道筛分工序，将少量的有机物筛分去除；
(5)对步骤(4)中的二段加热产物进行选粉操作分离得到铜铝和初级正负极废粉；上述选粉操作可以采用选粉机(如筛分机)，由于制粉过程得到的铜铝金属的粒度较粗，而正负极废粉的粒度较细，通过选粉可以将铜铝与初级正负极废粉分离；上述筛分过程所采用筛网目数可以为60-160目；
上述锂电池破碎制备正负极废粉的方法中，优选的，包括步骤(6)，具体的，将步骤(5)中的初级正负极废粉进行三段加热热解得到正负极废粉；所述三段加热热解的温度为315-700℃。经过选粉操作后会得到含有粘结剂等物质的初级正负极废粉，如果对废粉的要求不高，即可直接使用，无需采用三段加热热解。
上述锂电池破碎制备正负极废粉的方法中，优选的，所述锂电池为可充电锂离子电池，所述锂电池电芯为带壳(如钢壳)、带电解液、带隔膜等部件的未拆解电芯，上述锂电池电芯的负极集流体为铜箔，正极集流体是铝箔。上述锂离子电芯的电解液包括六氟磷酸锂和碳酸酯类。
上述锂电池破碎制备正负极废粉的方法中，优选的，所述一段加热的温度为90-105℃。
上述锂电池破碎制备正负极废粉的方法中，优选的，所述二段加热的温度为260-305℃。
上述锂电池破碎制备正负极废粉的方法中，优选的，所述三段加热热解的温度为500-700℃。
本发明中，根据锂电池中易挥发成分不同的沸点和其他工艺要求，分阶段的挥发，采用三段加热的方式，最终达到提高铜铝与废粉的分离效率、减少铜铝产品中废粉的含量、提高废粉的回收率的目的。具体的，一段加热挥发的主要是电解液中的六氟磷酸锂(LiPF6)溶质，二段加热挥发的主要是电解液中的碳酸酯类溶剂，三段加热热解主要是热解粘结剂PVDF。一段加热的目的是为了除去六氟磷酸锂，破坏电池，防止在后续分选混合过程中短路放热甚至燃烧。由于一段加热时大片隔膜等有机物的存在，一段加热的温度不能过高，否则会隔膜会熔化将各种物质粘附在一起，不利于后续工序的进行(如分选等)。二段加热的主要目的是为了去除电解液中的碳酸酯类，消除废粉中的液体，避免由于液体的存在导致分离过程中部分正负极废粉黏附于铜粉、铝粉产品之上，影响铜铝与废粉的分离效率，提高废粉的回收率，同时也可以减少铜铝产品中废粉的含量，利于铜铝的再次利用。二段加热的温度不能过高，否则粘结剂PVDF等会分解产生氟，氟会与酯类物质混合在一起造成后续环保处理难度增加，会大大增加废气处理成本。三段加热热解的目的是除去粘结剂PVDF或残留的微量的其他有机物，得到纯净的正负极废粉。
本发明中，破碎工序、分选工序、制粉工序、选粉工序与废气收集工序等各段工序中，可以增设正负极废粉收集回收装置，减小正负极废粉在各工序中的损耗，以进一步提高正负极废粉的回收率。
作为一个总的技术构思，本发明还提供一种锂电池破碎制备正负极废粉的制备***，包括进料***、破碎***(在氮气保护下，如破碎机)、一段加热***(如加热炉)、预分选***、制粉***(如制粉机)、二段加热***、选粉***(如筛分机)和废气收集***，所述进料***与破碎***相连，所述破碎***与一段加热***相连，所述一段加热***与预分选***相连，所述预分选***与制粉***相连，所述制粉***与二段加热***相连，所述二段加热***与选粉***相连，所述一段加热***和二段加热***通过排烟管与废气收集***相连。
上述制备***中，优选的，包括三段加热热解***，所述选粉***与三段加热热解***相连，所述三段加热热解***通过排烟管与废气收集***相连。经过选粉***后会得到含有粘结剂等物质的初级正负极废粉，如果对废粉的要求不高，即可直接使用，无需采用三段加热热解。
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上述制备***中，各组成***的作用功能以及整体制备***的优点具体参见上述锂电池破碎制备正负极废粉的方法中的描述，此处不再赘述。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明采用破碎—一段加热—分选—制粉并二段加热—选粉分离铜铝和初级正负极废粉—三段加热热解，整个方法与制备***各步骤之间组合合理，达到提高废粉回收率的目的，同时也可以减少铜铝产品中废粉的含量，可以提高铜铝与废粉的分离效率。
2、本发明中，首先分离铜铝与正负极废料，铜铝不会进入后续三段加热热解工序，热解后的产品无需进一步处理即可直接使用，在减少热解时间的同时还可以减少工艺步骤。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的工艺流程图。
图例说明：
1、进料***；2、破碎***；3、一段加热***；4、预分选***；5、制粉***；6、二段加热***；7、选粉***；8、废气收集***；9、排烟管；10、三段加热热解***；11、废气处理***；12、收料***。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1：
如图1所示，本实施例的锂电池破碎制备正负极废粉的制备***，包括进料***1、破碎***2、一段加热***3、预分选***4、制粉***5、二段加热***6、选粉***7和废气收集***8，进料***1与破碎***2相连，破碎***2与一段加热***3相连，一段加热***3与预分选***4相连，预分选***4与制粉***5相连，制粉***5与二段加热***6相连，二段加热***6与选粉***7相连，一段加热***3和二段加热***6通过排烟管9与废气收集***8相连。
本实施例中，包括三段加热热解***10，选粉***7与三段加热热解***10相连，三段加热热解***10通过排烟管9与废气收集***8相连，三段加热热解***10排出的产品即为正负极废粉，通过收料***12收集。
本实施例中，一段加热***3为用于提供60-110℃(上述范围均可)加热温度的低温加热***，二段加热***6为用于提供240-310℃(上述范围均可)加热温度的中温加热***，三段加热热解***10为用于提供315-700℃(上述范围均可)加热温度的高温加热***。
本实施例中，包括废气处理***11，废气处理***11与废气收集***8相连。
本实施例中，预分选***4包括磁选***和风选***。
本实施例中，进料***1、破碎***2、一段加热***3、预分选***4、制粉***5、二段加热***6、选粉***7、三段加热热解***10、废气收集***8、废气处理***11、磁选***和风选***均可采用现有工业设备，无需对设备进行大规模改进，生产成本更低。
本实施例中利用上述制备***的锂电池破碎制备正负极废粉的方法，包括以下步骤：
(1)将锂电池电芯在氮气保护下破碎，得到粗碎产品；上述锂电池电芯为可充电锂离子电池，锂电池电芯为带壳(如钢壳)、带电解液、带隔膜等部件的未拆解电芯，上述锂电池电芯的负极集流体为铜箔，正极集流体是铝箔，电解液包括六氟磷酸锂和碳酸酯类；
(2)将步骤(1)中的粗碎产品进行一段加热，得到一段加热产物；一段加热的温度为60℃；
(3)将步骤(2)中的一段加热产物进行磁选、风选得到初级废料；上述磁选用于除去铁磁性物质，风选用于除去大片有机物(如塑料、橡胶、隔膜等)和大块状的铜块/铝块，即风选过程去掉上部轻物质与底部重物质，保留中间物质；
(4)将步骤(3)中的初级废料制粉、二段加热得到二段加热产物；二段加热的温度为250℃；本步骤中，可选择性的在制粉增设过筛处理；
(5)对步骤(4)中的二段加热产物进行选粉操作分离得到铜铝和初级正负极废粉；上述选粉操作可以采用选粉机(如筛分机)；
(6)将步骤(5)中的初级正负极废粉进行三段加热热解得到正负极废粉；三段加热热解的温度为320℃。
实施例2-6：
实施例2-6与实施例1相比，制备***相同，不同之处在于一段加热、二段加热与三段加热热解的温度不同。具体如下表1所示。
对比例1-2：
对比例1-2与实施例1相比，制备***相同，不同之处在于一段加热、二段加热与三段加热热解的温度不同。具体如下表1所示。
上述实施例1-6与对比例1-2处理0.7t/h处理量生产线生产的正负极废粉的回收率如下表1所示。
表1：实施例1-6及对比例1-2的各段处理温度及废粉回收率
Claims (10)
1.一种锂电池破碎制备正负极废粉的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将锂电池电芯在氮气保护下破碎，得到粗碎产品；
(2)将步骤(1)中的粗碎产品进行一段加热，得到一段加热产物；所述一段加热的温度为60-110℃；
(3)将步骤(2)中的一段加热产物进行分选得到初级废料；
(4)将步骤(3)中的初级废料制粉、二段加热得到二段加热产物；所述二段加热的温度为240-310℃；
(5)对步骤(4)中的二段加热产物进行选粉操作分离得到铜铝和初级正负极废粉。
2.根据权利要求1所述的锂电池破碎制备正负极废粉的方法，其特征在于，还包括步骤(6)，将步骤(5)中的初级正负极废粉进行三段加热热解得到正负极废粉；所述三段加热热解的温度为315-700℃。
3.根据权利要求1或2所述的锂电池破碎制备正负极废粉的方法，其特征在于，所述锂电池为可充电锂离子电池，所述锂电池电芯为带电解液的未拆解电芯。
4.根据权利要求1或2所述的锂电池破碎制备正负极废粉的方法，其特征在于，所述一段加热的温度为90-105℃。
5.根据权利要求1或2所述的锂电池破碎制备正负极废粉的方法，其特征在于，所述二段加热的温度为260-305℃。
6.根据权利要求2所述的锂电池破碎制备正负极废粉的方法，其特征在于，所述三段加热热解的温度为500-700℃。
7.一种锂电池破碎制备正负极废粉的制备***，其特征在于，包括进料***(1)、破碎***(2)、一段加热***(3)、预分选***(4)、制粉***(5)、二段加热***(6)、选粉***(7)和废气收集***(8)，所述进料***(1)与破碎***(2)相连，所述破碎***(2)与一段加热***(3)相连，所述一段加热***(3)与预分选***(4)相连，所述预分选***(4)与制粉***(5)相连，所述制粉***(5)与二段加热***(6)相连，所述二段加热***(6)与选粉***(7)相连，所述一段加热***(3)和二段加热***(6)通过排烟管(9)与废气收集***(8)相连。
8.根据权利要求7所述的制备***，其特征在于，包括三段加热热解***(10)，所述选粉***(7)与三段加热热解***(10)相连，所述三段加热热解***(10)通过排烟管(9)与废气收集***(8)相连。
9.根据权利要求8所述的制备***，其特征在于，所述一段加热***(3)为用于提供60-110℃加热温度的低温加热***，所述二段加热***(6)为用于提供240-310℃加热温度的中温加热***，所述三段加热热解***(10)为用于提供315-700℃加热温度的高温加热***。
10.根据权利要求7-9中任一项所述的制备***，其特征在于，包括废气处理***(11)，所述废气处理***(11)与所述废气收集***(8)相连。
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