废旧磷酸铁锂电池正极材料的修复再生方法与流程

2021-01-31 06:01:22|

345|

起点商标网

本发明属于废旧磷酸铁锂电池正极材料回收领域，尤其涉及一种废旧磷酸铁锂电池正极材料修复再生方法。

背景技术：

能源枯竭、环境污染已成为当今社会亟需解决的两大难题。近年来，国内外大力推广新能源汽车，由于磷酸铁锂电池具有良好的安全性、成本低、无毒等优点，成为电动车领域重要的动力电源。随着锂离子电池的需求量和产量的逐年增加，退役的废旧磷酸铁锂电池的数量也在逐年急剧增加。预计到2020年，我国的磷酸铁锂锂离子电池年报废量将达32.2gwh，大约50万吨/年；到2023年，年报废量将高达101gwh，大约116万吨/年，其中磷酸铁锂电池占据其中的大部分。报废的磷酸铁锂电池若得不到妥善处理，不仅会造成资源浪费，还将对环境造成巨大污染。因此，回收磷酸铁锂电池具有巨大的经济价值和社会价值。

常见的磷酸铁锂正极材料的回收方法主要有两大类，一种以回收贵重金属为目的的湿法浸出，另一种为对磷酸铁锂材料的修复再生。

湿法浸出工艺工艺流程相对较长，操作过程复杂，采用无机强酸浸出，容易造成二次污染，较难做到生产工艺零排放。磷酸铁锂材料结构稳定性良好，具备直接回收再生的能力，磷酸铁锂失效的主要原因为可逆循环锂的缺失，有望通过高温补充锂源进行修复再生。修复再生则是将分离得到的正极材料通过补锂，实现材料的物理、化学指标的恢复，达到修复再生的目的。与直接制备的电池材料相比，由于修复再生的电池材料其材料中存在杂质，在充放电的过程中，材料中的杂质会与电解液发生反应，从而影响材料的循环性能，因此该方法获得的电化学性能较差，难以与商用材料比较。目前普遍存在的修复方法为高温固相直接修复方法，但废旧磷酸铁锂电池粉与商用磷酸铁锂粉相比，有粘结剂、碳黑等组分，经高温处理后，材料中碳含量较高，严重影响材料的电化学性能。

技术实现要素：

本发明提供的一种废旧磷酸铁锂电池正极材料的修复再生方法，包括以下步骤：

步骤1，将退役的磷酸铁锂电池精细化拆解，得到退役磷酸铁锂粉末并采用红外高频碳硫仪测定其碳含量；

步骤2，将所述步骤1获得的磷酸铁锂粉末移入炉体内，通过控制氧分压煅烧进行除碳，进而获得除去碳组分的磷酸铁锂粉末；

步骤3，将所述步骤2获得的磷酸铁锂粉末加入锂盐以及碳源置于球磨机中球磨0.5～1h；

步骤4，将所述步骤3获得的混合粉末在惰性气氛下煅烧，获得修复再生的碳包覆磷酸铁锂正极材料，并采用红外高频碳硫仪测定其碳含量。

进一步，所述步骤1中所用的磷酸铁锂粉末中铝、铜、铁以及其他金属含量总和小于500ppm，退役磷酸铁锂粉末碳含量5.5％～7％。

进一步，所述步骤2中的烧结温度为700～900℃，烧结时间为0.5～3h。

进一步，所述步骤2中所用的气体为o2/n2、o2/ar中的一种，通气过程中o2分压在10^-6～10^-3atm。

进一步，所述步骤3中锂源为碳酸锂、氢氧化锂、醋酸锂、氟化锂、溴化锂、碘化锂、草酸锂、磷酸二氢锂中至少一种，所述锂源的添加量为磷酸铁锂粉末中铁锂比为1：(1.02～1.05)。

进一步，所述步骤3中碳源为蔗糖或者葡萄糖中的一种，其添加质量为退役磷酸铁锂粉末的5％～30％。

进一步，所述步骤3中球磨速度为100～500r/min，球磨介质为氧化锆。

进一步，所述步骤4中惰性气氛为ar或n2。

进一步，所述步骤4中煅烧温度为650～800℃，煅烧时间为1～3h。

进一步，所述步骤4中获得的修复再生磷酸铁锂粉末碳含量小于5.5％。

与现有技术相比，本发明提出了废旧磷酸铁锂电池正极材料的修复再生方法，该方法将退役磷酸铁锂电池经过精细化拆解获得的退役磷酸铁锂电池粉通过控制氧分压的方法进行煅烧除去电池粉中的粘结剂和碳黑组分，然后通过向其中补加一定量的锂源、碳源，并在惰性气氛下进行煅烧，最终得到纯净的修复再生的磷酸铁锂材料；本发明通过采用控制氧分压的方法，去除碳黑组分而又不使磷酸铁锂氧化，而后进行球磨使磷酸铁锂粉末、锂源及碳源充分混合均匀，最后通过补锂高温煅烧获得修复再生的磷酸铁锂正极材料，实现修复再生的同时达到包覆的目的，从而改善回收的磷酸铁锂正极材料的循环性能；本发明采用的修复方法与现有的固相修复再生方法相比，此方法获得的磷酸铁锂更为纯净，在除去粘结剂及碳黑组分的基础上对材料进行碳包覆，提高了材料的整体比容量，此方法修复的磷酸铁锂其碳含量接近商用磷酸铁锂，电化学性能亦接近商用磷酸铁锂材料。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

具体实施方式

除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下面结合实施例来详细说明本发明。

实施例1

本发明实施例1提供一种废旧磷酸铁锂电池正极材料的修复再生方法，其方法通过以下步骤实施：

步骤1，将退役磷酸铁锂电池清洗、放电并拆解成单体，然后切割，用dmc清洗得到洁净的正极片、负极片、隔膜，再烘干，磁选分离出正极片，然后经过粉碎得到精细化拆解的磷酸铁锂粉末，并采用红外高频碳硫仪测定其碳含量。

步骤2，将步骤1获得的磷酸铁锂粉末移入炉体内于750℃下煅烧2h，烧结气氛为o2/ar，通气过程中需保证o2分压在10^-6atm。

步骤3，将步骤2烧结获得的磷酸铁锂粉末加入碳酸锂，添加至磷酸铁锂粉末中铁锂比为1：1.02后停止加入碳酸锂，随之加入退役磷酸铁锂粉末的20％的葡萄糖，混合粉料于球磨机中以200r/min的速度球磨1h。

步骤4，将步骤3球磨完的混合粉料于ar气氛下在700℃烧结1h，获得修复再生的碳包覆磷酸铁锂正极材料，并采用红外高频碳硫仪测定其碳含量。

与现有技术比，采用上述方案制备的修复再生的磷酸铁锂正极材料作为正极，采用金属锂片作为负极装配扣式电池进行充放电测试，采用本发明制得的修复再生的磷酸铁锂正极材料在0.5c倍率下的首次放电比容量达到153mah/g；100次充放循环后容量保持率可达95.2％；在2c倍率下放电比容量达到137.2mah/g。退役磷酸铁锂粉末碳含量为6.5％，修复再生磷酸铁锂正极材料的碳含量为5.2％。

实施例2

本发明实施例2提供一种废旧磷酸铁锂电池正极材料的修复再生方法，其方法通过以下步骤实施：

步骤2，将步骤1获得的磷酸铁锂粉末移入炉体内于800℃下煅烧1h，烧结气氛为o2/ar中的一种，通气过程中需保证o2分压在10^-4atm。

步骤3，将步骤2烧结获得的磷酸铁锂粉末加入碳酸锂，添加至磷酸铁锂粉末中铁锂比为1：1.03后停止加入碳酸锂，随之加入退役磷酸铁锂粉末的15％的葡萄糖，混合粉料于球磨机中以200r/min的速度球磨2h。

步骤4，将步骤3球磨完的混合粉料于ar气氛下在700℃烧结2h，获得修复再生的碳包覆磷酸铁锂正极材料，并采用红外高频碳硫仪测定其碳含量。

与现有技术比，采用上述方案制备的修复再生的磷酸铁锂正极材料作为正极，采用金属锂片作为负极装配扣式电池进行充放电测试，采用本发明制得的修复再生的磷酸铁锂正极材料在0.5c倍率下的首次放电比容量达到155mah/g；100次充放循环后容量保持率可达95.4％；在2c倍率下放电比容量达到139mah/g。退役磷酸铁锂粉末碳含量为6.1％，修复再生磷酸铁锂正极材料的碳含量为4.9％。

实施例3

本发明实施例3提供一种废旧磷酸铁锂电池正极材料的修复再生方法，其方法通过以下步骤实施：

步骤2，将步骤1获得的磷酸铁锂粉末移入炉体内于800℃下煅烧2h，烧结气氛为o2/n2中的一种，通气过程中需保证o2分压在10^-4atm。

步骤3，将步骤2烧结获得的磷酸铁锂粉末加入碳酸锂，添加至磷酸铁锂粉末中铁锂比为1：1.02后停止加入碳酸锂，随之加入退役磷酸铁锂粉末的20％的葡萄糖，混合粉料于球磨机中以300r/min的速度球磨3h。

步骤4，将步骤3球磨完的混合粉料于n2气氛下在750℃烧结2h，获得修复再生的碳包覆磷酸铁锂正极材料，并采用红外高频碳硫仪测定其碳含量。

与现有技术比，采用上述方案制备的修复再生的磷酸铁锂正极材料作为正极，采用金属锂片作为负极装配扣式电池进行充放电测试，采用本发明制得的修复再生的磷酸铁锂正极材料在0.5c倍率下的首次放电比容量达156mah/g；100次充放循环后容量保持率可达96.1％；在2c倍率下放电比容量达到141mah/g。退役磷酸铁锂粉末碳含量为6.4％，修复再生磷酸铁锂正极材料的碳含量为5.2％。

实施例4

本发明实施例4提供一种废旧磷酸铁锂电池正极材料的修复再生方法，其方法通过以下步骤实施：

步骤2，将步骤1获得的磷酸铁锂粉末移入炉体内于850℃下煅烧2h，烧结气氛为o2/n2中的一种，通气过程中需保证o2分压在10^-4atm。

步骤3，将步骤2烧结获得的磷酸铁锂粉末加入醋酸锂，添加至磷酸铁锂粉末中铁锂比为1：1.04后停止加入醋酸锂，随之加入退役磷酸铁锂粉末的20％的蔗糖，混合粉料于球磨机中以200r/min的速度球磨1h。

步骤4，将步骤3球磨完的混合粉料于n2气氛下在700℃烧结3h，获得修复再生的碳包覆磷酸铁锂正极材料，并采用红外高频碳硫仪测定其碳含量。

与现有技术比，采用上述方案制备的修复再生的磷酸铁锂正极材料作为正极，采用金属锂片作为负极装配扣式电池进行充放电测试，采用本发明制得的修复再生的磷酸铁锂正极材料在0.5c倍率下的首次放电比容量达152mah/g；100次充放循环后容量保持率可达93.1％；在2c倍率下放电比容量达到135mah/g。退役磷酸铁锂粉末碳含量为6.8％，修复再生磷酸铁锂正极材料的碳含量为5.4％。

实施例5

本发明实施例5提供一种废旧磷酸铁锂电池正极材料的修复再生方法，其方法通过以下步骤实施：

步骤2，将步骤1获得的磷酸铁锂粉末移入炉体内于700℃下煅烧2h，烧结气氛为o2/n2，通气过程中需保证o2分压在10^-4atm。

步骤3，将步骤2烧结获得的磷酸铁锂粉末加入醋酸锂，添加至磷酸铁锂粉末中铁锂比为1：1.03后停止加入醋酸锂，随之加入退役磷酸铁锂粉末的20％的葡萄糖，混合粉料于球磨机中以200r/min的速度球磨2h。

步骤4，将步骤3球磨完的混合粉料于n2气氛下在750℃烧结2h，获得修复再生的碳包覆磷酸铁锂正极材料，并采用红外高频碳硫仪测定其碳含量。

与现有技术比，采用上述方案制备的修复再生的磷酸铁锂正极材料作为正极，采用金属锂片作为负极装配扣式电池进行充放电测试，采用本发明制得的修复再生的磷酸铁锂正极材料在0.5c倍率下的首次放电比容量达153mah/g；100次充放循环后容量保持率可达94.5％；在2c倍率下放电比容量达到138mah/g。退役磷酸铁锂粉末碳含量为6.6％，修复再生磷酸铁锂正极材料的碳含量为5.3％。

实施例6

本发明实施例6提供一种废旧磷酸铁锂电池正极材料的修复再生方法，其方法通过以下步骤实施：

步骤2，将步骤1获得的磷酸铁锂粉末移入炉体内于750℃下煅烧2h，烧结气氛为o2/n2，通气过程中需保证o2分压在10^-3atm。

步骤3，将步骤2烧结获得的磷酸铁锂粉末加入氢氧化锂，添加至磷酸铁锂粉末中铁锂比为1：1.04后停止加入氢氧化锂，随之加入退役磷酸铁锂粉末的10％的蔗糖，混合粉料于球磨机中以200r/min的速度球磨3h。

步骤4，将步骤3球磨完的混合粉料于n2气氛下在700℃烧结3h，获得修复再生的碳包覆磷酸铁锂正极材料，并采用红外高频碳硫仪测定其碳含量。

与现有技术比，采用上述方案制备的修复再生的磷酸铁锂正极材料作为正极，采用金属锂片作为负极装配扣式电池进行充放电测试，采用本发明制得的修复再生的磷酸铁锂正极材料在0.5c倍率下的首次放电比容量达151mah/g；100次充放循环后容量保持率可达92.2％；在2c倍率下放电比容量达到128mah/g。退役磷酸铁锂粉末碳含量为7.1％，修复再生磷酸铁锂正极材料的碳含量为5.3％。

实施例7

本发明实施例7提供一种废旧磷酸铁锂电池正极材料的修复再生方法，其方法通过以下步骤实施：

步骤2，将步骤1获得的磷酸铁锂粉末移入炉体内于750℃下煅烧2h，烧结气氛为o2/ar，通气过程中需保证o2分压在10^-4atm。

步骤3，将步骤2烧结获得的磷酸铁锂粉末加入氢氧化锂，添加至磷酸铁锂粉末中铁锂比为1：1.02后停止加入氢氧化锂，随之加入退役磷酸铁锂粉末的20％的葡萄糖，混合粉料于球磨机中以200r/min的速度球磨3h。

步骤4，将步骤3球磨完的混合粉料于ar气氛下在750℃烧结2h，获得修复再生的碳包覆磷酸铁锂正极材料，并采用红外高频碳硫仪测定其碳含量。

与现有技术比，采用上述方案制备的修复再生的磷酸铁锂正极材料作为正极，采用金属锂片作为负极装配扣式电池进行充放电测试，采用本发明制得的修复再生的磷酸铁锂正极材料在0.5c倍率下的首次放电比容量达155.2mah/g；100次充放循环后容量保持率可达93.5％；在2c倍率下放电比容量达到137mah/g。退役磷酸铁锂粉末碳含量为7.0％，修复再生磷酸铁锂正极材料的碳含量为5.2％。

实施例8

本发明实施例8提供一种废旧磷酸铁锂电池正极材料的修复再生方法，其方法通过以下步骤实施：

步骤2，将步骤1获得的磷酸铁锂粉末移入炉体内于800℃下煅烧1h，烧结气氛为o2/n2，通气过程中需保证o2分压在10^-4atm。

步骤3，将步骤2烧结获得的磷酸铁锂粉末加入碳酸锂，添加至磷酸铁锂粉末中铁锂比为1：1.04后停止加入碳酸锂，随之加入退役磷酸铁锂粉末的20％的蔗糖，混合粉料于球磨机中以200r/min的速度球磨1h。

步骤4，将步骤3球磨完的混合粉料于n2气氛下在700℃烧结1h，获得修复再生的碳包覆磷酸铁锂正极材料，并采用红外高频碳硫仪测定其碳含量。

与现有技术比，采用上述方案制备的修复再生的磷酸铁锂正极材料作为正极，采用金属锂片作为负极装配扣式电池进行充放电测试，采用本发明制得的修复再生的磷酸铁锂正极材料在0.5c倍率下的首次放电比容量达148mah/g；100次充放循环后容量保持率可达89.8％；在2c倍率下放电比容量达到131.2mah/g。退役磷酸铁锂粉末碳含量为6.4％，修复再生磷酸铁锂正极材料的碳含量为4.8％。

实施例9

本发明实施例9提供一种废旧磷酸铁锂电池正极材料的修复再生方法，其方法通过以下步骤实施：

步骤2，将步骤1获得的磷酸铁锂粉末移入炉体内于850℃下煅烧2h，烧结气氛为o2/ar中的一种，通气过程中需保证o2分压在10^-4atm。

步骤3，将步骤2烧结获得的磷酸铁锂粉末加入碳酸锂，添加至磷酸铁锂粉末中铁锂比为1：1.02后停止加入碳酸锂，随之加入退役磷酸铁锂粉末的20％的蔗糖，混合粉料于球磨机中以200r/min的速度球磨1h。

步骤4，将步骤3球磨完的混合粉料于ar气氛下在700℃烧结2h，获得修复再生的碳包覆磷酸铁锂正极材料，并采用红外高频碳硫仪测定其碳含量。

与现有技术比，采用上述方案制备的修复再生的磷酸铁锂正极材料作为正极，采用金属锂片作为负极装配扣式电池进行充放电测试，采用本发明制得的修复再生的磷酸铁锂正极材料在0.5c倍率下的首次放电比容量达149.3mah/g；100次充放循环后容量保持率可达92.1％；在2c倍率下放电比容量达到131.2mah/g。退役磷酸铁锂粉末碳含量为6.2％，修复再生磷酸铁锂正极材料的碳含量为4.7％。

实施例10

本发明实施例10提供一种废旧磷酸铁锂电池正极材料的修复再生方法，其方法通过以下步骤实施：

步骤2，将步骤1获得的磷酸铁锂粉末移入炉体内于750℃下煅烧2h，烧结气氛为o2/ar中的一种，通气过程中需保证o2分压在10^-4atm。

步骤3，将步骤2烧结获得的磷酸铁锂粉末加入醋酸锂，添加至磷酸铁锂粉末中铁锂比为1：1.03后停止加入醋酸锂，随之加入退役磷酸铁锂粉末的20％的蔗糖，混合粉料于球磨机中以200r/min的速度球磨2h。

步骤4，将步骤3球磨完的混合粉料于ar气氛下在700℃烧结3h，获得修复再生的碳包覆磷酸铁锂正极材料，并采用红外高频碳硫仪测定其碳含量。

与现有技术比，采用上述方案制备的修复再生的磷酸铁锂正极材料作为正极，采用金属锂片作为负极装配扣式电池进行充放电测试，采用本发明制得的修复再生的磷酸铁锂正极材料在0.5c倍率下的首次放电比容量达151.8mah/g；100次充放循环后容量保持率可达91.2％；在2c倍率下放电比容量达到136.5mah/g。退役磷酸铁锂粉末碳含量为6.8％，修复再生磷酸铁锂正极材料的碳含量为5.0％。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

起点商标作为专业知识产权交易平台，可以帮助大家解决很多问题，如果大家想要了解更多知产交易信息请点击【在线咨询】或添加微信【19522093243】与客服一对一沟通，为大家解决相关问题。