一种接触电致催化材料的应用及锂电池电极材料回收方法技术

本发明专利技术属电池领域，具体设计一种接触电致催化材料的应用，以及一种基于接触电致催化工艺的锂电池电极材料回收方法。接触电致催化材料用于完全或部分替代利用酸溶液浸出金属元素的反应体系中所需的还原剂。锂电池电极材料回收方法如下：一、电极材料回收。二、浸出液配置：选择任意一种固态介电材料作为催化剂；将催化剂与酸液按照预设的比例分散均匀后得到浸出液。三、目标金属浸出：将电极材料粉末和浸出液混合得到反应体系，在40

【技术实现步骤摘要】
一种接触电致催化材料的应用及锂电池电极材料回收方法


[0001]本专利技术属于电池领域，具体设计一种接触电致催化材料的应用，以及一种基于接触电致催化工艺的锂电池电极材料回收方法。

技术介绍

[0002]随着电子技术在通信、交通和电力领域的迅速普及，可充电电池的需求和产品正逐年提高。其中，锂离子电池(LiBs)因而具有较高的能量密度和安全性已成为可充电电池的主力产品。电子产品、电动汽车、分布式电站的储能系统中都大量采用了锂离子电池。
[0003]近些年来，随着公众环保意识的不断提高和电动汽车技术的不断提升，电动汽车因为较低的二氧化碳排放正逐渐收到广大用户的青睐；锂离子电池也是电动汽车产品中最广泛采用的电池类型；因此在多种趋势叠加条件下，LiBs的需求仍在持续增长。锂电池中最关键也最稀缺的原料是锂、镍、钴等金属；锂电池需求升高会导致企业不断加大产量并大量消耗锂、镍、钴等金属原料，这会最终导致有限的锂钴金属资源加速枯竭，并提高电池的生产成本。
[0004]锂电池的广泛需求同时会导致大量废旧锂电池的新增。这些废旧锂电池中锂、镍、钴等金属的含量高于自然界矿石和盐碱中的含量，因此，回收废电池材料中的锂、镍、钴等金属材料可以成为避免自然资源枯竭和成本上升的有效方案，具有重要的社会和经济意义。
[0005]目前，锂电池中金属元素的回收方法主要有火法、湿法和直接回收法三种。火法直接对电池材料进行高温冶炼，需要高于一千度的高温，且仅得到金属合金，能源成本高，且产生有毒气体。直接回收法需要对电池进行精细的拆解，然后根据处理后的锂电池的不同成分，添加不同量的前驱体进行反应，这种处理方式不适合进行大规模锂电池的回收。湿法冶金工艺是通过溶剂浸出电极粉末内的金属，并对浸出的元素进行分离的工艺。传统的湿法工艺中通常需要用到大量的还原剂，且还原剂在反应中属于不可回收利用的消耗品。同时，目前，工业上湿法工艺中经常用到大量的硫酸、硝酸、盐酸等无机酸，反应工艺中可能会产生硫化氢、氮氧化物等有毒有害气体，对环境和人体危害较大。
[0006]基于上述原因，如何开发一种更加绿色环保、高效、经济，安全的锂电池电极材料回收方法，已成为行业内亟需解决的技术难题。

技术实现思路

[0007]为了解决现有锂电池电极湿法回收工艺存在的经济性差、安全性低、污染严重等问题，本专利技术提供一种接触电致催化材料的应用，以及一种基于接触电致催化工艺的锂电池电极材料回收方法。
[0008]本专利技术采用以下技术方案实现：
[0009]本专利技术首先提供一种接触电致催化材料的新应用，主要的内容是：
[0010]选择具有如下特性的固态介电材料：a、不溶于水且疏水。b、与水的接触起电时带
负电荷。c、在100℃以下温度范围具有热稳定性。d、不与选择的酸溶液发生氧化还原反应。
[0011]然后将选定的固态介电材料用于完全或部分替代利用酸溶液浸出金属元素的反应体系中所需的还原剂，并提高酸溶液对金属离子的浸出反应速率和/或浸出率效率。
[0012]例如，将该固态介电材料应用于锂电池电极湿法回收工艺中的浸出液中，降低或替代金属浸出工艺中过氧化氢，硫代硫酸钠，亚硫酸氢钠，葡萄糖，抗坏血酸，亚硫酸钠，亚硫酸氨等还原剂的使用。
[0013]在前述方案的基础上，本专利技术还提供了一种基于接触电致催化工艺的锂电池电极材料回收方法，其用于提取锂电池电极材料中包括钴和锂的各类目标金属元素，该型锂电池电极材料回收方法包括如下步骤：
[0014]一、电极材料回收
[0015]对回收的锂电池进行预处理，提取出导电基膜表面负载的电极材料粉末。
[0016]二、浸出液配置
[0017]选择任意一种固态介电材料作为催化剂；将催化剂与选定的有机酸溶液按照预设的比例混合并分散均匀后得到浸出液。配制出的浸出液的PH值为2.0
‑
6.4，催化剂含量为0.5～5g/L。
[0018]其中，选择的固态介电材料具有如下特定：a、不溶于水且疏水；b、与水的接触起电时带负电荷；c、在100℃以下温度范围具有热稳定性；d、不与选择的有机酸发生氧化还原反应。
[0019]浸出液中的有机酸溶液选择除草酸以外的其它任意一种或多种有机酸的溶液。
[0020]三、目标金属浸出
[0021]按照最佳固液比将电极材料粉末和浸出液混合得到反应体系，调整反应体系的反应温度至40
‑
100℃，并向反应体系施加可促进催化剂与溶液接触分离或产生空化现象的反应条件；反应至钴和锂元素达到最大浸出率时终止。
[0022]四、目标金属提取
[0023]对上步骤的浸出液进行固液分离，得到上清液A和残渣B；并采用分步沉淀法从上清液A中依次提取目标金属元素。
[0024]其中，上清液A为含有电极材料中各类金属元素对应离子的混合溶液；残渣B中含有电极材料中未参与反应或反应生成的固形物，以及选用的催化剂。
[0025]五、催化剂回收利用
[0026]根据采用催化剂与残渣B中包含的其它杂质间的理化特性差异，选择任意一种物理或化学工艺分离出催化剂，并将催化剂重新用于配置所需的浸出液。
[0027]作为本专利技术进一步的改进，步骤一的电极材料回收过程中，锂电池的预处理工序依次包括：(1)对锂电池进行充分放电。(2)拆解锂电池的封装材料，得到电极材料。(3)以高于300℃的温度对电极材料进行高温焙烧。(4)分离得到焙烧后产物中的粉末材料。
[0028]作为本专利技术进一步的改进，步骤二的浸出液配置过程中，可选择的催化剂包括有机材料FEP(聚全氟乙丙烯)、PTFE(聚四氟乙烯)、PVDF(聚偏二氟乙烯)、PI(聚酰亚胺)等的微粒；或无机材料氮化铝或氧化硅的微粒。其中，催化剂微粒的粒径为30nm
‑
30μm；
[0029]浸出液中可添加的有机酸溶液包括苹果酸，抗坏血酸，柠檬酸，甲酸，乙酸，琥珀酸，酒石酸，乳酸，马来酸，天冬氨酸，甘氨酸中的任意一种或多种。
[0030]作为本专利技术进一步的改进，在步骤三的目标金属浸出工艺中，最佳固液比根据选择的电极材料类型和目标金属元素含量的不同而存在差异。电极材料中目标金属的含量越高，则固液比越小；即浸出液用量越大。对于特定的类型锂电池的特定电极材料，通过试验预先确定反应体系中的最佳固液比。
[0031]在本专利技术中，对于特定的电极材料，试验确定的最佳固液比应同时满足：(1)当前电极材料粉末在同等浸出反应条件下，各元素的综合浸出率达到最佳；(2)在达到预设浸出率的条件下，相同量电极材料使用的浸出液的用量最少。
[0032]作为本专利技术进一步的改进，在步骤三的目标金属浸出工艺中，可选择的促进催化剂与溶液接触分离或产生空化现象的反应条件包括：振荡、搅拌、鼓泡、滴落以及超声空化处理。
[0033]作为本专利技术进一步的改进，在步骤四目标金属提取过程中，利用分步沉淀法从上清液A提取钴元素和锂元素的步骤具体如下：
[003本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种接触电致催化材料的应用，其特征在于：选择具有如下特性的固态介电材料：a、不溶于水且疏水；b、与水的接触起电时带负电荷；c、在100℃以下温度范围具有热稳定性；d、不与选择的酸溶液发生氧化还原反应；将选定的固态介电材料用于完全或部分替代利用酸溶液浸出金属元素的反应体系中所需的还原剂，并提高酸溶液对金属离子的浸出反应速率和/或浸出率效率。2.一种基于接触电致催化工艺的锂电池电极材料回收方法，其用于提取锂电池电极材料中包括钴和锂的各类目标金属元素，其特征在于，所述锂电池电极材料回收方法包括如下步骤：一、电极材料回收对待回收锂电池进行预处理，提取出导电基膜表面负载的电极材料粉末；二、浸出液配置选择任意一种固态介电材料作为催化剂；将催化剂与选定的有机酸溶液按照预设的比例混合并分散均匀后得到浸出液；所述浸出液的PH值为2.0
‑
6.4，催化剂含量为0.5～5g/L；其中，选择的固态介电材料具有如下特定：a、不溶于水且疏水；b、与水的接触起电时带负电荷；c、在100℃以下温度范围具有热稳定性；d、不与选择的有机酸发生氧化还原反应；浸出液中的有机酸溶液选择除草酸以外的其它任意一种或多种有机酸的溶液；三、目标金属浸出按照最佳固液比将电极材料粉末和浸出液混合得到反应体系，调整反应体系的反应温度至40
‑
100℃，并向反应体系施加可促进催化剂与溶液接触分离或产生空化现象的反应条件；反应至钴和锂元素达到最大浸出率时终止；四、目标金属提取对上步骤的浸出液进行固液分离，得到上清液A和残渣B；并采用分步沉淀法从上清液A中依次提取目标金属元素；其中，所述上清液A为含有电极材料中各类金属元素对应离子的混合溶液；所述残渣B中含有电极材料中未参与反应或反应生成的固形物，以及选用的催化剂；五、催化剂回收利用根据采用催化剂与残渣B中包含的其它杂质间的理化特性差异，选择任意一种物理或化学工艺分离出催化剂，并将催化剂重新用于配置所需的浸出液。3.如权利要求2所述的基于接触电致催化工艺的锂电池电极材料回收方法，其特征在于：步骤一的电极材料回收过程中，锂电池的预处理工序依次包括：(1)对锂电池进行充分放电；(2)拆解锂电池的封装材料，得到电极材料；(3)以高于300℃的温度对电极材料进行高温焙烧；(4)分离得到焙烧后产物中的粉末材料。4.如权利要求2所述的基于接触电致催化工艺的锂电池电极材料回收方法，其特征在于：步骤二的浸出液配置过程中，可选择的催化剂包括有机材料FEP、PTFE、PVDF、PI的微粒；或无机材料氮化铝和氧化硅的微粒；其中，催化剂微粒的粒径为30nm
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30μm；浸出液中可添加的有机酸溶液包括苹果酸，抗坏血酸，柠檬酸，甲酸，乙酸，琥珀酸，酒石酸，乳酸，马来酸，天冬氨酸，甘氨酸中的任意一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐伟，王中林，李蕙帆，
申请(专利权)人：长三角嘉兴纳米应用技术研究院，
类型：发明
国别省市：