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CN102709621A - 一种从废旧锂离子电池中回收高纯碳材料的方法 - Google Patents

一种从废旧锂离子电池中回收高纯碳材料的方法 Download PDF

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万传云
邹学彬
何赛燕
刘宁
崔琳琳
孟晓晓
吴维维
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Abstract

本发明公开一种废旧锂离子电池负极碳材料的回收方法，即首先剥离废旧锂离子电池外壳，收集负极极片并投入到事先装有水的玻璃或金属容器中，超声振动至碳负极从铜箔上脱落得到含有碳负极材料和铜箔基体的溶液，再拣出铜箔基体后，得到含有碳负极材料的溶液并用真空抽滤机过滤得碳负极固体组分后用自来水洗涤至滤液pH为7-8，用5-10%的稀盐酸或稀硝酸浸泡碳负极固体组分30-60min后，用真空抽滤机再次进行过滤；用蒸馏水或去离子水洗涤滤饼至滤液pH为中性；将滤饼在烘箱中控制温度为60-150℃烘干后，再在高温烧结炉中，在非氧化气氛下，控制温度为400-800℃焙烧1-5h，即得到高纯度可二次利用的负极碳材料。

Description

一种从废旧锂离子电池中回收高纯碳材料的方法
技术领域
本发明涉及一种从废旧锂离子电池中回收高纯碳材料的方法。
背景技术
锂离子电池具有高工作电压、高能量密度、长循环寿命、无记忆效应、高功率密度等优点受到人们的广泛青睐，小到从电子表、CD唱机、移动电话、MP3、MP4、照相机、摄影机、各种遥控器、剔须刀、手枪钻、儿童玩具等，大到从医院、宾馆、超市、电话交换机等场合的应急电源、电动工具等都有其身影。除此外，其优异的综合性能使其在电动汽车、航空航天、军事通信等领域发展前景广阔。目前，锂离子电池的销售量已经达到数十亿块，因为锂离子动力电池的发展，全球锂离子电池的市场规模预计将从2011年的20亿美元规模增长到2017年的超过146亿美元规模。可以看出，如此大规模的锂离子电池应用将带来数额巨大的原材料消耗，然而，地球资源是有限的。因此，如何充分的回收利用废旧锂离子电池的有用材料成为社会经济可持续发展的一个重要前提。
根据锂离子电池的构造，锂离子电池中可回收的部分包括金属外壳、正极材料、正极基体、负极材料、负极基体。对于锂离子电池中的金属物种（如钴、锂、镍、锰、铝、铜等），目前已有专业机构在从事有用金属的回收处理。而对于负极材料，其主要成分是石墨化的碳材料，目前对其的回收研究尚不多见。虽然碳材料相比正极材料而言，成本较低，但要获得适合锂离子电池用的高品质碳材料，其制造成本和处理成本还是不可忽视的。而碳材料对于国民经济来说，它是一个非常有用的材料。对于从锂离子电池中回收的碳来讲，它具有一定的粒径分布，具有良好的导电性，石墨化程度高，碳的纯度高。因此，如果将锂离子电池中的碳材料回收，完全可以用来作为导涂料的黑色颜料或导电涂料的导电颜料，也可以作为塑料、橡胶中的填料加以使用。由于其化学稳定性好，还可以作为贵金属材料的载体用于导电涂料的设计。
对于废旧锂离子电池中碳材料的回收技术，尽管研究较少，但还是有一些报道。比如，CN 1758478A 公开了一种碳负极材料的回收方法，其做法之一为：将含有铜箔的负极极片收集后，置于高温炉中高温焙烧，使粘结剂分解，达到碳负极与铜箔分离的目的。该思路可行，但能耗较大，同时没有考虑用过的碳负极中含有锂碳化合物，该化合物很容易燃烧，安全难以保证。除此之外，其公开的另一个方法是将收集的负极极片采用球磨的方法将粘结剂和导电剂分离，以实现碳材料的回收，该方法的缺点是分离不彻底，同时球磨容易导致铜碎屑产生，使碳粉不纯，二次利用困难。CN101154757A公开的专利中给出了一种碳负极材料的回收方法。该方法是利用水或脂肪醇聚氧乙烯醚作为溶剂，浸泡负极极片，将负极组分从铜箔上剥离，然后在惰性气氛下400-800度热处理回收的粉末，分解粘结剂，得到碳材料重新用于锂离子电池。从实施例来看，该法适合用于锂离子电池制备过程中负极下角料及未充放过的不合格电极片的处理。如果用于工作过的锂离子电池中的负极碳材料回收，该方法尚不能得到纯度高的碳材料，不利于碳材料的二次利用。因为，在使用过的锂离子电池负极中，碳材料中或多或少会有锂的存在，同时在碳材料表面，也有电池工作时电解液分解而留下的锂盐。回收时，如果不将除碳以外的其它物种清除，会影响碳材料的二次利用。
发明内容
本发明的目的为了解决废旧电池负极片回收过程中的安全性及提高回收负极碳粉的纯度，而提供一种节能的高效回收碳材料的方法，该方法所得的碳材料不含杂质，便于重新利用。
   本发明的技术方案
一种废旧锂离子电池负极碳材料的回收方法，具体包括如下步骤：
（1）、剥离废旧锂离子电池外壳，收集从废旧锂离子电池中获取的负极极片；
（2）、将负极极片投入到事先装有水的玻璃或金属容器中，控制每100g水处理的碳负极重量为2-30g，优选3.3-10g，超声振动至碳负极从铜箔上脱落得到含有碳负极材料和铜箔基体的溶液；
（3）、从步骤（2）所得的含有碳负极材料和铜箔基体的溶液中拣出铜箔基体后，得到含有碳负极材料的溶液；
（4）、用真空抽虑机过滤（滤纸为中速纤维滤纸）步骤（3）所得的含有碳负极材料的溶液，所得的滤饼为碳负极固体组分；
（5）、用自来水洗涤步骤（4）所得的碳负极固体组分至滤液pH为7-8之后，用5-10%的稀盐酸或稀硝酸浸泡碳负极固体组分30-60min后，用真空抽虑机进行过滤（滤纸为中速纤维滤纸）；
（6）、用蒸馏水或去离子水洗涤步骤（5）过滤后所得的滤饼至滤液pH为中性；
（7）、将步骤（6）经洗涤后的滤饼在烘箱中控制温度为60-150℃烘干后，再在高温烧结炉中，在非氧化气氛下，控制温度为400-800℃焙烧步骤（6）经过滤洗涤后的固体组分1-5h，即得到高纯度负极碳材料；
所述的非氧化气氛为氮气、氩气、氦气、二氧化碳、一氧化碳中的一种或两种以上气体所组成的混合气体环境。
上述所得的高纯度负极碳材料，其纯度可达99.5-99.8%，可以直接进行二次循环利用。
本发明的有益效果
本发明的一种废旧锂离子电池负极碳材料的回收方法，由于采用环保性的水作为从废旧锂离子电池负极极片上剥离碳粉的方法，实现了大块铜箔的有效回收，降低了有机溶剂的使用，也消除了高温处理环节电能的消耗；
另外，回收过程中的酸洗将可能引入的铜屑及残存的锂元素进行有效的溶解清除；且回收过程的惰性气氛保护下的高温热处理也有效地将负极碳粉表面残存的黏结剂进行分解清除。
综上所述，本发明的一种废旧锂离子电池负极碳材料的回收方法，可以有效地获得高纯度的碳粉，所得的碳粉能够直接进行二次利用。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进一步阐述，但并不限制本发明。
实施例1
一种废旧锂离子电池负极碳材料的回收方法，具体包括如下步骤：
（1）、手工剥离10只报废的锂离子电池，收集从废旧锂离子电池中获取的负极极片，负极极片上碳负极组分的重量大约为25g；
（2）、将负极极片投入到事先装有1000g水的玻璃烧杯中，将烧杯置于功率为500W的超声仪中，振动至碳负极组分从铜箔基体上脱落，得到含有碳负极材料和铜箔基体的溶液；
（3）、用镊子从步骤（2）所得的含有碳负极材料和铜箔基体的溶液中拣出铜箔基体后，得到含有碳负极材料的溶液；
（4）、采用SHB-III型台式循环水式多用真空泵（郑州长城科工贸有限公司）过滤步骤（3）所得的含有碳负极材料的溶液，所得的滤饼为碳负极固体组分；
（5）、用自来水洗涤步骤（4）所得的碳负极固体组分至滤液pH为7-8之后，用5%的稀盐酸浸泡碳负极固体组分30min后用SHB-III型台式循环水式多用真空泵过滤；
（6）、用蒸馏水洗涤步骤（5）所得的滤饼至滤液pH为中性；
（7）、将步骤（6）所得的滤饼控制温度为60℃烘干后，在KXRX-6-13型箱式
       气氛炉（长沙科鑫炉业有限公司）中，在氮气气氛下，控制温度为400
℃焙烧固体份5h，得到废旧锂离子电池负极的碳材料。
上述所得的废旧锂离子电池负极的碳材料纯度为99.6%。
实施例2
一种废旧锂离子电池负极碳材料的回收方法，具体包括如下步骤：
（1）、手工剥离20只报废的锂离子电池，收集从废旧锂离子电池中获取的负极极片，负极极片上碳负极组分的重量大约为50g；
（2）、将负极极片投入到事先装有500g水的玻璃烧杯中，将烧杯置于功率为500W的超声仪中，振动至碳负极从铜箔上脱落，得到含有碳负极材料和铜箔基体的溶液；
（3）、用镊子从步骤（2）所得的含有碳负极材料和铜箔基体的溶液中拣出铜箔基体后，得到含有碳负极材料的溶液；
（4）、用SHB-III型台式循环水式多用真空泵过滤步骤（3）所得的含有碳负极材料的溶液，所得的滤饼为碳负极固体组分；
（5）、用自来水洗涤步骤（4）所得的碳负极固体组分至滤液pH为7-8之后，用5%的稀盐酸浸泡碳负极固体组分60min后SHB-III型台式循环水式多用真空泵过滤；
（6）、用蒸馏水洗涤步骤（5）所得的滤饼至滤液pH为中性；
（7）、将步骤（6）所得的滤饼控制温度为100℃烘干后，在KXRX-6-13型箱式气氛炉中，在氮气气氛下，控制温度为600℃焙烧固体份2h，得到废旧锂离子电池负极的碳材料。
上述所得的废旧锂离子电池负极的碳材料纯度达到99.8%。
实施例3
一种废旧锂离子电池负极碳材料的回收方法，具体包括如下步骤：
（1）、手工剥离20只报废的锂离子电池，收集从废旧锂离子电池中获取的负极极片，负极极片上碳负极组分的重量大约为50g；
（2）、将步骤（1）所得的负极极片投入到事先装有150g水的不锈钢杯中，将烧杯置于功率为500W的超声仪中，振动至碳负极从铜箔上脱落，得到含有碳负极材料和铜箔基体的溶液；
（3）、用镊子从步骤（2）所得的含有碳负极材料和铜箔基体的溶液中拣出铜箔基体后，得到含有碳负极材料的溶液；
（4）、SHB-III型台式循环水式多用真空泵步骤（3）所得的含有碳负极材料的溶液，所得的滤饼为碳负极固体组分；
（5）、用自来水洗涤步骤（4）所得的碳负极固体组分至滤液pH为7-8之后，用10%的稀盐酸浸泡碳负极固体组分30min后SHB-III型台式循环水式多用真空泵过滤；
（6）、用蒸馏水洗涤步骤（5）所得的滤饼至滤液pH为中性；
（7）、将步骤（6）所得的滤饼控制温度为150℃烘干后，在KXRX-6-13型箱式气氛炉中，在二氧化碳气氛下，控制温度为800℃焙烧固体份1h，得到废旧锂离子电池负极的碳材料。
上述所得的废旧锂离子电池负极的碳材料纯度为99.8%。
上述内容仅为本发明构思下的基本说明，而依据本发明的技术方案所作的任何等效变换，均应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种废旧锂离子电池负极碳材料的回收方法，其特征在于具体包括如下步骤：
（1）、剥离废旧锂离子电池外壳，收集从废旧锂离子电池中获取的负极极片；
（2）、将负极极片投入到事先装有水的玻璃或金属容器中，控制每100g水处理的碳负极重量为2-30g，优选3.3-10g，超声振动至碳负极从铜箔上脱落得到含有碳负极材料和铜箔基体的溶液；
（3）、从步骤（2）所得的含有碳负极材料和铜箔基体的溶液中拣出铜箔基体后，得到含有碳负极材料的溶液；
（4）、用真空抽滤机过滤步骤（3）所得的含有碳负极材料的溶液，所得的滤饼为碳负极固体组分；
（5）、用自来水洗涤步骤（4）所得的碳负极固体组分至滤液pH为7-8之后，用5-10%的稀盐酸或稀硝酸浸泡碳负极固体组分30-60min后，用真空抽滤机进行过滤；
（6）、用蒸馏水或去离子水洗涤步骤（5）过滤后所得的滤饼至滤液pH为中性；
（7）、将步骤（6）经洗涤后的滤饼在烘箱中控制温度为60-150℃烘干后，再在高温烧结炉中，在非氧化气氛下，控制温度为400-800℃焙烧步骤（6）经过滤洗涤后的固体组分1-5h，即得到高纯度负极碳材料。
2.如权利要求1所述的一种废旧锂离子电池负极碳材料的回收方法，其特征在于步骤（2）中所述的每100g水处理的碳负极重量为3.3-10g。
3.如权利要求1或2所述的一种废旧锂离子电池负极碳材料的回收方法，其特征在于步骤（7）中所述的非氧化气氛为氮气、氩气、氦气、二氧化碳、一氧化碳中的一种或两种以上气体所组成的混合气体环境。
4.如权利要求3所述的一种废旧锂离子电池负极碳材料的回收方法，其特征在于步骤（4）或步骤（5）中所述的真空抽滤机中使用的滤纸为中速纤维滤纸。
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