TWI709264B - 水離子裂解鋰電池系統 - Google Patents

Abstract

一種水離子裂解鋰電池系統，包括進料裝置、蒸氣產生器、增壓器、水離子產生器、鋰電池處理裝置、冷凝水槽與回收處理裝置；廢棄鋰電池經進料裝置進入鋰電池處理裝置中，蒸氣產生器將水加熱產生飽和蒸氣，經增壓器傳輸到水離子產生器，解離轉化為水離子進入鋰電池處理裝置中，鋰電池處理裝置內是常壓趨近無氧狀態，水離子將廢棄鋰電池的電解液及隔離膜斷鏈裂解碳化為碳渣、殘餘氣液廢棄物、與無機廢棄物，而氣液廢棄物經冷凝水槽、等離子排氣裝置處理後成為無害的氣體與液體，且無機廢棄物經回收處理裝置處理後，產生可回收再利用的金屬，達成符合環保訴求，且過程無污染的結構。

Description

水離子裂解鋰電池系統

本發明係有關於一種廢棄鋰電池的回收裂解系統，特別是指一種符合環保訴求，且過程無污染的水離子裂解鋰電池系統。

因鋰電池具備有質量輕、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，近年來也常用於電動車輛發展。鋰電池因為具相對環保性、放電平穩、循環壽命長而逐漸取代鎳氫、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，用適當的溶劑溶解金屬為離子狀態而存於浸漬溶液中。傳統浸漬所使用的加熱方式速度偏慢、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，同時，處理的過程中，伴隨著大類的廢水、廢氣與固態廢棄物產生，更對環境造成了二次污染的問題。

目前業界中有許多回收鋰電池的方法，其中一種是先以液態氮或液態氬冷卻鋰電池以降低其反應動力，於粉碎後利用強鹼溶液及/或強 酸溶液溶解鋰電池中包含的金屬，並使用碳酸溶液分離出碳酸鋰和氧化鈷；另外，當鋰電池置於水溶液中時，其中的金屬會反應產生氫氣，於點燃氫氣後可一併將可燃物燒盡，再對殘渣進行回收處理；然而，上述方法需使用大量的強酸或強鹼溶液，且在反應過程中會產生許多廢氣，例如鋰電池中的六氟磷鋰因與水反應產生的氫氟酸，或是點燃氫氣後產生的二氧化碳等。

另一種回收鋰電池的方法是以高溫鍛燒廢鋰電池，使廢電池置於數百度高溫的環境中，並於鍛燒後取出破碎，再利用濕法冶金(hydrometallurgy)或電鍍(electroplating)的方式收集有價金屬；但上述使用方法會產生大量的廢氣、廢液與廢棄物，對環境造成二次汙染，且回收率低。

除了上述的回收方法，也有許多廢棄鋰電池回收的專利，例如中國大陸專利公告第CN207938750U號「一種廢舊電池處理系統」，鋰電池不用破碎直接進入拆分爐，替換的是銅液和鋁液，冷卻後放入銅錠和鋁錠，各種有害的氣體集中燃燒燒成後形成的小分子無機氣體；但是，鋰電池本身是多層結構所構成，若不經過破碎處理，實際上並無法有效處理內部的電解液；

中國大陸專利公告第CN108110366A號「一種種廢舊鋰離子電池的處理方法」，在回收廢舊電池中的有價金屬之前，先通過熱裂爐對廢舊電池中的有機成分進行熱解，逐漸熱分解產生的污染氣體進行捕集；但是，透過單純的高溫加熱，並無法完全的處理還收過程產生的廢氣，特別廢氣中，有的具耐燃性，有的是分解穩度極高，上述專利處理廢棄的過程 過於緩慢；

中國大陸專利公告第CN109994794A號「一種鋰離子電池裂解系統」，包括用於放置鋰離子電池的物料箱和順序密封連接的低溫桶、中溫桶、高溫桶和冷卻桶，且所述低溫桶、中溫桶、高溫桶和冷卻桶上分別開設有進氣口和出氣口，所述物料箱能夠分別放置於所述低溫桶、中溫桶、高溫桶和冷卻桶中；因此，多個低溫桶、中溫桶、高溫桶和冷卻以及其他機構所組合後，會佔據具相當龐大的空間，且維修與保養也不方便，同時，多個桶在連接時，相對的需要考慮一定程度的氣密、隔熱等，否則，鋰離子電池裂解過程中的有害物質會有外洩的疑慮。

再者，上述各專利所採用的技術，雖然是採用高溫蒸氣，實際上就是高溫鍛燒的一種，此種回收方式會產生大量的廢氣與廢水，在沒有良好的後端回收系統等裝置，會直接對環境造成二次的汙染。

有鑑於習用有上述缺點，以及，中國大陸專利申請第201910992924.7號「三態有機物裂解系統及其常壓水離子產生器」，是本案申請人申請在先的專利案，有鑑於廢棄離電池的處理時，在前端進料、中端裂解與後段回收等過程中，需要對應廢棄離電池得結構、材料特性、產生的廢棄物型態、成份等進行對應的改良與強化設計，申請人乃針對前述缺點研究改進之道，終於有本發明產生。

本發明主要目的在於，提供一種符合環保訴求的水離子裂解鋰電池系統。

本發明次要目的在於，提供一種無汙染的水離子裂解鋰電池 系統。

為達成上述目的及功效，本發明所採行的技術手段包括：一進料裝置、一蒸氣產生器、一增壓器、一水離子產生器、一鋰電池處理裝置、一冷凝水槽、一等離子排氣裝置與一回收處理裝置，其中：

所述進料裝置收容並對外輸送粉碎後的廢棄鋰電池；

所述蒸氣產生器產生飽和蒸氣；

所述增壓器與前述蒸氣產生器連接，接收並將飽和蒸氣再加熱為過熱蒸氣；

所述水離子產生器與前述增壓器連接，接收並將過熱蒸氣解離轉化為水離子；

所述鋰電池處理裝置分別與前述進料裝置、水離子產生器連接，內部收容廢棄鋰電池後導入水離子，在常壓趨近無氧狀態下，令水離子與廢棄鋰電池內的電解液及隔離膜斷鏈裂解碳化為碳渣、殘餘氣液廢棄物、與無機廢棄物；

所述冷凝水槽與前述鋰電池處理裝置連接，接收氣液廢棄物並冷卻分離產生廢水與廢氣；

所述等離子排氣裝置與前述冷凝水槽連接並接收廢氣，經高壓解離廢氣離子後產生電子跳火引發燃燒，例如，數萬伏特的電壓(如2~3萬伏特或更高)將廢氣解離後產生電子跳火引發燃燒，廢氣被等離子電擊解離，在空間中由於電子跳火而引發燃燒，此時因為高溫等離子在高溫高壓下產生O3作用，可以將無法燃燒廢氣再利用O3氧化裂解；以及，

所述回收處理裝置與前述鋰電池處理裝置連接，接收並將 無機廢棄物處理後產生可再利用金屬。

藉此，廢棄鋰電池經進料裝置進入鋰電池處理裝置中，蒸氣產生器將水加熱產生飽和蒸氣，經增壓器傳輸到水離子產生器，解離轉化為水離子進入鋰電池處理裝置中，鋰電池處理裝置內是常壓趨近無氧狀態，水離子將鋰電池處理裝置內的廢棄鋰電池之電解液及隔離膜斷鏈裂解碳化為碳渣、殘餘氣液廢棄物、與無機廢棄物，而氣液廢棄物經冷凝水槽、等離子排氣裝置處理後成為無害的氣體與液體，且剩餘之金屬物可直接回收再利用，達成符合環保訴求，且過程無污染的結構。

依上述結構，其中該水離子裂解鋰電池系統包括：一電磁加熱器，與蒸氣產生器、水離子產生器與鋰電池處理裝置電性連接，是以電磁加熱產生熱能；以及，一控制裝置，與電磁加熱器電性連接，使其控制蒸氣產生器、水離子產生器與鋰電池處理裝置的加熱參數。

依上述結構，其中該回收處理裝置將無機廢棄物處理後產生可再利用金屬，包括但不限定於化學中和法、酸提置換法或乾式熔煉法。

依上述結構，其中該冷凝水槽包括一水淋塔，將廢氣進行去酸鹼、去重金屬、去氯與減碳等處理。

依上述結構，其中該進料裝置處理廢棄鋰電池包括但不限定於粉粹、磁選、磨粉與噴淋等步驟。

依上述結構，其中該粉粹步驟，將廢棄鋰電池破壞並分解成為細小顆粒或塊狀。

依上述結構，其中該磁選步驟，以磁力分離細小顆粒或塊狀廢棄鋰電池中的金屬物質。

依上述結構，其中該磨粉步驟，將去除金屬物質的細小顆粒或塊狀廢棄鋰電池研磨，成為粉末狀。

依上述結構，其中該噴淋步驟，在前述粉粹與磨粉過程中噴灑水。

為使本發明的上述目的、功效及特徵可獲得更具體的瞭解，依各附圖說明如下：

1‧‧‧進料裝置

2‧‧‧蒸氣產生器

3‧‧‧增壓器

4‧‧‧水離子產生器

5‧‧‧鋰電池處理裝置

6‧‧‧冷凝水槽

61‧‧‧水淋塔

7‧‧‧等離子排氣裝置

8‧‧‧回收處理裝置

9‧‧‧電磁加熱器

91‧‧‧控制裝置

第1圖是本發明一較佳實施例的方塊圖。

首先說明的是，本發明提到的「鋰電池」，僅是為了利於說明常見廢棄電池的型態，包括但不限定於碳鋅電池、鹼錳電池、鋰電池、鋅電池、鋅空電池、水銀電池、氫氧電池或鎂錳電池等一次性電池，以及，包括但不限定於鹼性電池、鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池、鋰離子聚合物電池或磷酸鋰鐵電池等充電電池。

請參閱第1圖所示，可知本發明的結構主要包括：一進料裝置1、一蒸氣產生器2、一增壓器3、一水離子產生器4、一鋰電池處理裝置5、一冷凝水槽6、一等離子排氣裝置7、一回收處理裝置8與一電磁加熱器9，其中：所述進料裝置1收容並對外輸送粉碎後的廢棄鋰電池，處理時，包括但不限定於粉粹、磁選、磨粉與噴淋等步驟，廢棄鋰電池首先進行粉碎的步驟，將廢棄鋰電池破壞並分解成為細小顆粒或塊狀；接著磁選 步驟，以磁力分離細小顆粒或塊狀廢棄鋰電池中的金屬物質；以及，磨粉步驟，將去除金屬物質的細小顆粒或塊狀廢棄鋰電池研磨，成為更細小的粉末狀，而能夠加速後述鋰電池處理裝置5的處理過程，上述粉粹、磨粉的過程中，為了避免過程中產生***，粉塵、電解液到處飛散，進料裝置1更包含了噴淋步驟，在粉粹與磨粉過程中噴灑水，或冷卻水等；應注意的是，上述僅是說明進料裝置1具備粉粹、磁選、磨粉與噴淋的步驟，舉凡能夠將廢棄鋰電池進行粉粹、磁選、磨粉與噴淋的裝置或系統、步驟，都應屬本發明保護的範疇。

所述蒸氣產生器2注入水，或本發明後述提到的回收冷卻水等，加熱到130度至160度或更高，產生飽和蒸氣。

所述增壓器3與前述蒸氣產生器2連接，接收並將過飽和氣再加熱為過熱蒸氣。

所述水離子產生器4與前述增壓器3連接，接收並將過熱蒸氣解離轉化為水離子；過熱蒸氣(H2O)經過水離子產生器4解離(Dissociation)後，成為氫正離子(H+)與氫氧離子(OH-)。

所述鋰電池處理裝置5分別與前述進料裝置1、水離子產生器4連接，內部收容廢棄鋰電池後導入水離子，在常壓趨近無氧狀態下，令水離子與廢棄鋰電池內的電解液及隔離膜斷鏈裂解碳化為碳渣、殘餘氣液廢棄物、與無機廢棄物。

所述冷凝水槽6與前述鋰電池處理裝置5連接，其包括一水淋塔61，冷凝水槽6接收氣液廢棄物並冷卻分離產生廢水與廢氣，廢氣經水淋塔61進行去酸鹼、去重金屬、去氯與減碳等處理。

所述等離子排氣裝置7與前述冷凝水槽6連接並接收廢氣，經高壓解離廢氣離子後產生電子跳火引發燃燒。

所述回收處理裝置8與前述鋰電池處理裝置5連接，利用包括但不限定於化學中和法、酸提置換法或乾式熔煉法等回收方式，接收電池處理裝置5反應後的無機廢棄物，並處理後產生可再利用金屬。以及，

所述電磁加熱器9與蒸氣產生器2、水離子產生器4與鋰電池處理裝置5電性連接，並以電磁加熱產生熱能加熱蒸氣產生器2、水離子產生器4與鋰電池處理裝置5，為了能夠控制上述電磁加熱器9、蒸氣產生器2、水離子產生器4、與鋰電池處理裝置5的加熱參數與動作狀態，進一步更設置與其電性連接的控制裝置91，例如：分別設定各自的加熱時間、加熱溫度等，或著，飽和蒸氣、水離子的流通狀態、增壓器的壓力動作狀態、冷凝水回收狀態、或鋰電池處理裝置5的運作狀態等等，應注意的是，控制裝置91包括但不限定於電腦、終端機、伺服器、人機介面或嵌入式系統等等，以及，電磁加熱器9即利用線圈產生磁場，磁場與金屬材質的管路或容器等之間產生許多的渦流(Eddy Current)讓金屬材質的管路、容器等產生熱能，電磁加熱的技術，其並非本案技術特徵，在此僅概略說明，舉凡利用電能產生熱能的技術或結構，皆應屬本發明電磁加熱器9的範疇。

藉此，經由蒸氣產生器2、增壓器3與水離子產生器4產生的水離子〔H+OH-〕，以及，經由進料裝置1進行粉粹、磁選、磨粉與噴淋後的廢棄離電池，進入鋰電池處理裝置5中，水離子〔H+OH-〕與廢棄離電池的電解液及隔離膜完成離子交換斷鏈反應後，殘餘的碳渣、與無機廢棄物經回收處理裝置8回收後產生可再利用的金屬，而氣液廢棄物送往水淋塔 61，將廢氣進行酸鹼中和、去硫化物、去氯(鐵)與減碳的處理，讓冷凝水槽6回收所有可再利用的乾淨回收冷凝水，傳送到蒸氣產生器2；接著，水淋塔271無法處理的廢氣，如烷、脂、一氧化碳等，將通過等離子排氣裝置7燒毀後排出。

綜合以上所述，本發明的水離子裂解鋰電池系統符合環保訴求，且過程無污染，實為一具新穎性及進步性的發明，爰依法提出申請發明專利；惟上述說明的內容，僅為本發明的較佳實施例說明，舉凡依本發明的技術手段與範疇所延伸的變化、修飾、改變或等效置換者，亦皆應落入本發明的專利申請範圍內。

1‧‧‧進料裝置

2‧‧‧蒸氣產生器

3‧‧‧增壓器

4‧‧‧水離子產生器

5‧‧‧鋰電池處理裝置

6‧‧‧冷凝水槽

61‧‧‧水淋塔

7‧‧‧等離子排氣裝置

8‧‧‧回收處理裝置

9‧‧‧電磁加熱器

91‧‧‧控制裝置

Claims (9)

1. 一種水離子裂解鋰電池系統，其至少包括：一進料裝置，收容並對外輸送粉碎後的廢棄鋰電池；一蒸氣產生器，產生飽和蒸氣；一增壓器，與前述蒸氣產生器連接，接收並將飽和蒸氣再加熱為過熱蒸氣；一水離子產生器，與前述增壓器連接，接收並將過熱蒸氣解離轉化為水離子；一鋰電池處理裝置，分別與前述進料裝置、水離子產生器連接，內部收容廢棄鋰電池後導入水離子，在常壓趨近無氧狀態下，令水離子與廢棄鋰電池內的電解質、隔離膜斷鏈裂解碳化為碳渣、殘餘氣液廢棄物、與無機廢棄物；一冷凝水槽，與前述鋰電池處理裝置連接，接收氣液廢棄物並冷卻分離產生廢水與廢氣；一等離子排氣裝置，與前述冷凝水槽連接並接收廢氣，經高壓解離廢氣離子後產生電子跳火引發燃燒；以及，一回收處理裝置，與前述鋰電池處理裝置連接，接收並將無機廢棄物處理後產生可再利用金屬；藉此，廢棄鋰電池經進料裝置進入鋰電池處理裝置中，蒸氣產生器將水加熱產生飽和蒸氣，經增壓器傳輸到水離子產生器，解離轉化為水離子進入鋰電池處理裝置中，鋰電池處理裝置內是常壓趨近無氧狀態，水離子將鋰 電池處理裝置內的廢棄鋰電池的電解液及隔離膜斷鏈裂解碳化為碳渣、殘餘氣液廢棄物、與無機廢棄物，而氣液廢棄物經冷凝水槽、等離子排氣裝置處理後成為無害的氣體與液體，且剩餘的金屬物可直接回收再利用。
2. 如申請專利範圍第1項所述之水離子裂解鋰電池系統，其中該水離子裂解鋰電池系統包括：一電磁加熱器，與蒸氣產生器、水離子產生器與鋰電池處理裝置電性連接，是以電磁加熱產生熱能；一控制裝置，與電磁加熱器電性連接，使其控制蒸氣產生器、水離子產生器與鋰電池處理裝置的加熱參數。
3. 如申請專利範圍第1項所述之水離子裂解鋰電池系統，其中該回收處理裝置將無機廢棄物處理後產生可再利用金屬，包括但不限定於化學中和法、酸提置換法或乾式熔煉法。
4. 如申請專利範圍第1項所述之水離子裂解鋰電池系統，其中該冷凝水槽包括一水淋塔，將廢氣進行去酸鹼、去重金屬、去氯與減碳等處理。
5. 如申請專利範圍第1項所述之水離子裂解鋰電池系統，其中該進料裝置處理廢棄鋰電池包括但不限定於粉粹、磁選、磨粉與噴淋等步驟。
6. 如申請專利範圍第5項所述之水離子裂解鋰電池系統，其中該粉粹步驟，將廢棄鋰電池破壞並分解成為細小顆粒或塊狀。
7. 如申請專利範圍第6項所述之水離子裂解鋰電池系統，其中該磁選步驟，以磁力分離細小顆粒或塊狀廢棄鋰電池中的金屬物質。
8. 如申請專利範圍第6項所述之水離子裂解鋰電池系統，其中該磨粉步驟，將去除金屬物質的細小顆粒或塊狀廢棄鋰電池研磨，成為粉末狀。
9. 如申請專利範圍第5項所述之水離子裂解鋰電池系統，其中該噴淋步驟，在前述粉粹與磨粉過程中噴灑水。

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