CN205609702U - 一种废旧锂电池全组分物料分离收集装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种废旧锂电池全组分物料分离收集装置，其主要利用机械破碎、真空分离、震动筛分、比重分离、气流分离等简单干法手段，实现废旧锂电池中电极材料、集流体金属、塑料隔膜、电池外壳的分离收集；分离收集过程不引入任何化学试剂，整个过程全部实现自动化，同时对电解液、粉尘等进行收集处理，具备回收效率高、绿色低碳、环保节能、便于产业化等特点。
Description
技术领域
本实用新型属于蓄电池技术领域，具体涉及一种废旧锂电池全组分物料分离收集装置。
背景技术
锂离子电池在电网储能、电动汽车、计算机、通信和消费类电子产品领域得到了快速发展和广泛应用，规模及数量不断扩大增加，根据电池使用寿命，到2024年废旧锂电池累计报废量将达到100万吨以上，并将呈现爆发式累积性增长趋势，其健康、环境、安全隐患的累积效应成倍放大，不容忽视。若不能有效回收处理，还造成资源浪费。开展废旧电池回收利用，可从总量上减少电池原材料的开发和使用，减少生态环境的破坏，提高资源利用率，实现电池全寿命周期的绿色闭环，达到资源化、无害化处理的目的，产生显著的资源、环境及经济等综合效益。从而破解钴、锂等矿产资源短缺的战略瓶颈，意义重大。
目前，部分发明专利公开锂电池回收处理方法，但是存在如下不足：（1）重点关注钴、镍等贵金属组分的回收利用，或者仅对电极材料进行回收利用，对废旧锂电池其他组分的回收利用、对有害组分的无害化处理及回收过程的二次污染防治等鲜有发明报道。（2）回收利用工艺复杂，需要引入大量化学试剂或者需要高温处理。（3）回收处理设备处理效率低，无法大规模产业化运行。
例如： ZL 2013 1 0314079.0公开了一种以废旧锂电池为原料逆向回收制备镍钴酸锂的工艺，其特征在于包括以下步骤：(1)取废旧锂离子电池的电池正极片进行预处理获得正极粉；(2)将步骤(1)所得正极粉溶于无机酸中，正极粉与无机酸的质量体积比为(1：5)g：10mL，除杂，得到含有镍和钴的混合酸液，检测镍和钴离子的浓度；(3)往所述混合溶液中加入镍源或钴源，调节混合溶液中镍和钴的摩尔浓度比为(0.5-2)﹕1；(4)加入沉淀剂，沉淀剂浓度与金属离子总浓度的比例为(2-3)﹕1；使镍钴氢氧化物沉淀，蒸发结晶后，得到镍钴酸锂前驱体；(5)加入锂源，使镍钴酸锂前驱体与锂源的质量比为(3-5):1，镍钴酸锂前驱体与锂源混合均匀，然后在800℃下煅烧10h，自然冷却至室温后，研磨至40目，得到镍钴酸锂初级产品；(6)将步骤(5)制备的镍钴酸锂初级产品置于氧化铝坩埚中，加入60目的还原性金属粉，然后送入二氧化硅管，在200℃下恒温3-5小时，自然冷却至室温后，再经过40目筛网筛分，筛下物为镍钴酸锂产品，分子式为LiNixCo1-xO2-y，其中0.33≤x≤0.67，0.05≤y≤0.5；步骤(6)中所述的镍钴酸锂初级产品与还原性金属粉的重量比为(8-10)：1。
ZL
2010 1 0253859.5公开了一种水系废旧锂离子动力电池回收制备磷酸铁锂的方法：1)将水系废旧锂离子电池剪切破碎后，由去离子水处理，过筛干燥后回收电极材料和导电剂混合物；2)将干燥后的电极材料和导电剂混合物加入无机酸进行处理，过滤得到Li+、Fe2+、PO4 3-的酸性溶液；3)向含Li+、Fe2+、PO4 3-的酸性溶液中添加锂盐或者铁盐，加入抗坏血酸搅拌，控制pH值=3-7；过滤，得到沉淀；4)将步骤3得到的LiFePO4粗产品加入到蔗糖水溶液中进行球磨，干燥煅烧得到再生的LiFePO4材料。
ZL
2012 1 0179652.7公开了一种从废旧钴酸锂电池中回收有价金属的方法，通过有机溶剂对电池的活性物质进行浸泡剥离，可以溶解大部分的粘结剂，直接得到洁净的铝、铜、镍箔与隔膜；用酸液+双氧水混合液与钴酸锂直接接触反应，得到正极材料溶液；加NaOH调节PH得到钴的化合物，然后加入Na2CO3得到Li2CO3采用硫酸溶液溶解LiCoO2。
ZL
2013 1 0342270.6公开了一种电池回收处理***，包括旋转窑燃烧室，旋转窑燃烧室包括第一燃烧区和第二燃烧区；二次燃烧室，与旋转窑燃烧室连通；烟气净化设备，与二次燃烧室连通。上述电池回收处理***，首先将电池在100℃~150℃的第一燃烧区燃烧30min~60min，使电池的密封圈充分热解破坏，使电池内的氢气和有机溶剂释放出来，并通过负压装置将其排空，可以有效防止电池在高温下***，接着使电池在300℃~500℃的第二燃烧区燃烧，再接着将电池燃烧产生的第一烟气在1200℃~1350℃的二次燃烧室完全燃烧形成第二烟气，将第二烟气通过烟气净化设备的净化处理后形成净化气体排放到大气中。
综上，废旧锂电池回收处理技术应具备清洁环保、低碳低能耗、高效自动化等特点，不仅可实现正极材料的资源化回收，还需实现其他组分的有效回收，更要注重有害组分的环保处置，防止二次污染。
实用新型内容
本实用新型目的在于提供一种废旧锂电池全组分物料分离收集装置，其采用物理法实现废旧锂电池中各组分的分离收集，主要利用机械破碎、真空分离、震动筛分、比重分离、气流分离等简单干法手段，实现废旧锂电池中电极材料、集流体金属、塑料隔膜、电池外壳的分离收集，分离收集过程不引入任何化学试剂，整个过程全部实现自动化，同时对电解液、粉尘等进行收集处理，具有回收效率高、绿色低碳、环保节能、便于产业化等特点。
为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种废旧锂电池全组分物料分离收集装置，其包括通过电动传送带连接的碾压破碎机和刀式破碎机、以及通过管道与刀式破碎机顺次连接的塑料物料分离收集装置、锤式粉碎机和电池物料分离装置；所述碾压破碎机和刀式破碎机上方均设有电解液吸附收集装置；
所述塑料物料分离收集装置包括第一振动筛，第一振动筛为密封式结构，第一振动筛上方通过管道连接有塑料物料储料仓，塑料物料储料仓连接有真空泵且塑料物料储料仓上方设有粉尘收集装置；
所述电池物料分离装置包括顶部设有真空泵的旋流器，旋流器上部通过管道连接有粉尘收集装置，旋流器左侧进口通过管道连接锤式粉碎机出口，旋流器右侧出口通过管道与顶部设有真空泵、内部设有喷嘴的旋风筒相连接，喷嘴位于旋风筒内部的左侧下端并与管道相连通，旋流器底部出口连接金属物料储料仓，金属物料储料仓通过电动传送带与第二振动筛连接，旋流器右侧出口与旋风筒之间的管道上设有空气压缩机。其中，电动传送带为本领域常见装置，在此不再赘述。旋流器起到将物料打散的作用，物料分离依据比重不同原理，通过真空分选原理实现分离。设于旋风筒内部的喷嘴向上倾斜，且喷嘴的喷头与水平面的夹角在20－45°。
具体的，所述电解液吸附收集装置包括通过管道顺次连接的抽风机、水冷式冷凝器和电解液收集箱，所述抽风机位于碾压破碎机、刀式粉碎机上方；所述粉尘收集装置为脉冲除尘器或布袋除尘器。
采用上述装置进行废旧锂电池全组分物料分离收集的方法，其包括如下步骤：
1）将废旧锂电池碾压破碎，得到初级碎片物料；在碾压破碎过程中，采用电解液吸附收集装置去除电解液；
2）将初级碎片物料切割破碎，得到二级碎片物料；在切割破碎过程中，采用电解液吸附收集装置去除电解液；
3）二级碎片物料进入塑料物料分离收集装置，实现塑料物料与电极材料、集流体的分离；
4）将分离除去塑料物料后的二级碎片物料送入锤式粉碎机进行深度粉碎，得到三级碎片物料；
5）三级碎片物料进入电池物料分离装置进行初级分离收集，分别得到正负极材料和集流体颗粒混合料；
6）正负极材料进入旋风筒进行二级分离收集，得到负极材料石墨和正极材料；集流体颗粒混合料进入振动筛进一步分离得到铜、铝颗粒。
所述废旧锂电池包括废旧储能锂电池、废旧动力锂电池及废旧的计算机、通信和消费类电子产品用锂电池。所述锂电池类型包括磷酸铁锂电池、三元锂电池、锰酸锂电池和钴酸锂电池。所述锂电池规格包括方形软包锂电池、方形钢壳锂电池、方形铝塑壳锂电池、圆柱形锂电池。
所述全组分物料分离收集包括电极材料、集流体、电池外壳等的分离收集。进一步，所述全组分物料分离收集也包括隔膜或电池外壳铝塑膜的分离收集。进一步，所述全组分物料分离收集还包括电解液、粉尘的收集处置。
具体的，所述步骤1）中废旧锂电池碾压破碎，具体为采用碾压破碎机将废旧锂电池进行初步破碎得到初级碎片物料，碾压力大小控制在2000牛顿至5000牛顿之间；同时，电解液在电解液吸附收集装置中抽风机的抽吸作用下从电池物料中转移，经冷凝器冷凝后收集在电解液收集箱中。进一步，破碎时向碾压破碎机中通入惰性气体防止起火。所用碾压破碎机的进料斗尺寸可调，可满足不同尺寸废旧锂电池的破碎。所得初级碎片物料的粒径尺寸为20-50mm且不包含20mm。
具体的，所述步骤2）中是利用刀式破碎机采取旋转切割的方法对初级碎片物料切割破碎；刀式破碎机以1000-2000转/min的速度旋转，经电动传送带输送来的初级碎片物料与高速旋转的破碎机刀头以30-90度的角度接触，从而将初级碎片物料打散并破碎获得粒径尺寸为5-20mm的二级碎片物料；同时，电解液在电解液吸附收集装置中抽风机的抽吸作用下快速从电池物料中转移，经冷凝器冷凝后收集在电解液收集箱中。进一步，电解液吸附收集装置中的管道由双层无缝铜管构成，内层流通的是电解液，外层流通的是自来水，起冷却作用；其中，用来冷却的自来水工作温度范围为：0-5℃；电解液收集箱是聚乙烯材质制成的密封结构。抽风机不间断抽吸10-30min后可实现电解液回收率≥90%。
具体的，步骤3）中二级碎片物料进入塑料物料分离收集装置中，经振动筛打散后，在500-50kPa真空负压抽吸作用下重量较轻的塑料物料被吸附分离，并收集进入塑料物料储料仓。所述塑料物料包括电池隔膜、或电池外壳铝塑膜、或隔膜和电池外壳铝塑膜混合物。
所述步骤4）将分离除去塑料物料后的二级碎片物料送入锤式粉碎机进行深度粉碎，锤式粉碎机以5000牛顿-7000牛顿的力度对物料进行10-40min不间断敲击，得到直径为0-2mm的三级碎片物料。同时，物料在锤式粉碎机振动盘上不间断震动，实现绝大部分正负极电极物料从集流体上脱落。此外，由于本身的金属脆性，铜、铝集流体被粉碎成小颗粒状，粒径尺寸不超过1mm。
具体的，所述步骤5）具体为：三级碎片物料随循环风被带入电池物料分离装置进行分选，利用电池物料分离装置中高速旋转且旋转速度为1500-3000转/min的旋流器将三级碎片物料均匀打散；
打散后的物料中粒径较小的粉末状正负极材料与空气混合，然后利用真空泵（真空泵压力工作范围为500-50kPa）产生负压，正负极材料自旋流器中部通过管道进入旋风筒内；粒径较大的集流体颗粒混合料在重力作用下自旋流器底部通过管道进入金属物料储料仓内。
电池物料初次分离率大于85%。初次分离得到的集流体颗粒混合料中含有一定比例的正负极材料，可根据需要，再次送入电池物料分离装置中，重复操作3-5次后实现正负极材料和集流体颗粒的彻底分离。
进一步，上述电池物料分离过程中产生的粉尘通过脉冲除尘器或电袋除尘等方式去除，所述除尘技术和设备为本领域常规方法，在此不再赘述。
具体的，所述步骤6）中集流体颗粒混合料经电动传送带进入振动筛内，振动筛由1-3层18-30目的筛网组成，相同目数的集流体颗粒经高速震动后实现铜、铝颗粒的分离。
具体的，所述步骤6）中正负极材料自位于旋风筒内部左侧下端的喷嘴中以一定高度抛起，物料即呈0.3-1.5m高的抛物线状，与此同时，旋风筒沿与物料抛物线垂直方向产生0.5-2.0 m/s的均匀气流场，气流场分布宽度为0.2-2.0m，在正负极材料下落过程，比重较轻的负极材料石墨被气流吹走并从旋风筒上部排出，正极材料则继续回落并自旋风筒底部排出，实现正负极材料分离收集。
和现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明采用物理法实现废旧锂电池中各组分的分离收集，主要利用机械破碎、真空分离、震动筛分、比重分离、气流分离等简单干法手段，实现废旧锂电池中电极材料、集流体金属、塑料隔膜、电池外壳的分离收集，分离收集过程不引入任何化学试剂，整个过程全部实现自动化，同时对电解液、粉尘等进行收集处理，具有回收效率高、绿色低碳、环保节能、便于产业化等特点。
附图说明
图1为本发明废旧锂电池全组分物料分离收集装置示意图；
图2为本发明废旧锂电池全组分物料分离收集方法示意图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的技术方案作进一步地详细介绍，但本发明的保护范围并不局限于此。
实施例
1
如图1所示，一种废旧锂电池全组分物料分离收集装置，其包括通过电动传送带1连接的碾压破碎机2和刀式破碎机3、以及通过管道与刀式破碎机3顺次连接的塑料物料分离收集装置、锤式粉碎机6和电池物料分离装置；所述碾压破碎机2和刀式破碎机3上方均设有电解液吸附收集装置11；
所述塑料物料分离收集装置包括密第一振动筛4，第一振动筛4为密封式结构，第一振动筛4上方通过管道连接有塑料物料储料仓41，塑料物料储料仓41连接有真空泵14且塑料物料储料仓41上方设有粉尘收集装置5；
所述电池物料分离装置包括顶部设有真空泵的旋流器7，旋流器7上部通过管道连接有粉尘收集装置5，旋流器7左侧进口通过管道连接锤式粉碎机6出口，旋流器7右侧出口通过管道与顶部设有真空泵、内部设有喷嘴的旋风筒10相连接（旋风筒10上部出口12出来的物料为负极材料石墨，旋风筒10底部出口13出来的物料为正极材料），喷嘴位于旋风筒10内部的左侧下端并与管道相连通，旋流器7底部出口连接金属物料储料仓8，金属物料储料仓8通过电动传送带1与第二振动筛9连接，旋流器7右侧出口与旋风筒10之间的管道上设有空气压缩机71（用以避免送往旋风筒10的物料粘附在管道上）。
所述电解液吸附收集装置11包括通过管道顺次连接的抽风机、水冷式冷凝器和电解液收集箱，所述抽风机设于碾压破碎机2、刀式粉碎机3上方；所述粉尘收集装置5为脉冲除尘器或布袋除尘器。
如图1和2所示，采用上述装置进行废旧锂电池全组分物料分离收集的方法，其包括如下步骤：
取500kg废旧动力锂电池，电池类型为三元锂电池，规格为60Ah方形软包电池，外形尺寸为208mm×135mm×30mm。依据如下步骤进行回收处理：
（1）将废旧动力锂电池通过电动传送带1送入碾压破碎机2，启动碾压破碎机2，并通入氩气，控制碾压力在2000牛顿至3000牛顿之间，碾压破碎后得到粒径尺寸为20-30mm的初级碎片物料；
（2）启动刀式破碎机3，刀式破碎机3以1500转/min的速度旋转，初级碎片物料经电动传送带1送入刀式破碎机3，经电动传送带1输送来的初级碎片物料与高速旋转的刀式破碎机3的刀头以60度的角度接触，物料被打散并切割破碎成二级碎片物料，二级碎片物料的粒径尺寸为10-15mm；在碾压破碎、切割破碎过程中，利用电解液吸附收集装置11，在200kPa负压下工作30min，实现电解液的回收，回收率95%；
（3）二级碎片物料经管道进入塑料物料分离收集装置，第一振动筛4将二级碎片物料打散后，在200kPa真空负压抽吸作用下，重量较轻的塑料物料从其他电池物料中被吸附分离，并收集进入塑料物料储料仓41，实现塑料物料与电极材料、集流体的分离；塑料物料包括隔膜和电池外壳铝塑膜混合物；上述塑料物料分离收集过程产生的粉尘通过脉冲除尘器去除；
（4）将分离除去物料物料后的二级碎片物料送入锤式粉碎机6，锤式粉碎机6以6000牛顿的力度对物料进行30min不间断敲击，从而将物料进行深度粉碎，得到直径不大于1mm的三级碎片物料；
同时由于本身的金属脆性，铜、铝集流体被粉碎成小颗粒状，粒径尺寸不超过1mm，实现99%以上正负极电极物料从集流体上脱落；
（5）三级碎片物料随循环风被带入电池物料分离装置进行分选，电池物料分离装置中的旋流器7以2000转/min的速度将物料均匀打散。进一步，打散后的物料中粒径较小的粉末状正负极材料与空气混合，然后利用真空泵产生150kPa负压，将正负极材料自旋流器7中部通过管道进入旋风筒10内；初次分离收集率为90%；粒径较大的集流体颗粒混合料在重力作用下自旋流器7底部通过管道进入金属物料储料仓8内；上述电池物料分离收集过程产生的粉尘通过脉冲除尘器去除；
（6）集流体颗粒混合料经电动传送带1进入第二振动筛9，第二振动筛9由3层筛网组成，筛网尺寸分别是18目、24目、30目。相同目数的混合物料经震动10min后实现铜、铝颗粒的分离；
（7）正负极材料进入旋风筒10内进行二级分离收集，正负极材料被与水平面夹角呈30°的喷嘴以一定高度抛起，物料即呈0.5-1.2m高的抛物线状，与此同时，旋风筒10沿与物料抛物线垂直方向产生1.2 m/s的均匀气流场，气流场分布宽度为0.3-1.5m。在正负极材料下落过程中，比重较轻的负极材料石墨被气流吹走并从旋风筒10上部排出，正极材料则继续回落并自旋风筒10底部排出，实现正负极材料分离收集。
Claims (2)
1.一种废旧锂电池全组分物料分离收集装置，其特征在于，包括通过电动传送带连接的碾压破碎机和刀式破碎机、以及通过管道与刀式破碎机顺次连接的塑料物料分离收集装置、锤式粉碎机和电池物料分离装置；所述碾压破碎机和刀式破碎机上方均设有电解液吸附收集装置；
所述塑料物料分离收集装置包括第一振动筛，第一振动筛为密封式结构，第一振动筛上方通过管道连接有塑料物料储料仓，塑料物料储料仓连接有真空泵且塑料物料储料仓上方设有粉尘收集装置；
所述电池物料分离装置包括顶部设有真空泵的旋流器，旋流器上部通过管道连接有粉尘收集装置，旋流器左侧进口通过管道连接锤式粉碎机出口，旋流器右侧出口通过管道与顶部设有真空泵、内部设有喷嘴的旋风筒相连接，喷嘴位于旋风筒内部的左侧下端并与管道相连通，旋流器底部出口连接金属物料储料仓，金属物料储料仓通过电动传送带与第二振动筛连接，旋流器右侧出口与旋风筒之间的管道上设有空气压缩机。
2.根据权利要求1所述的废旧锂电池全组分物料分离收集装置，其特征在于，所述电解液吸附收集装置包括通过管道顺次连接的抽风机、水冷式冷凝器和电解液收集箱，所述抽风机位于碾压破碎机、刀式粉碎机上方；所述粉尘收集装置为脉冲除尘器或布袋除尘器。
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