一种废旧磷酸铁锂电池中正极材料和集流体的分离方法与流程
1.本发明涉及废旧锂电池回收技术领域，尤其涉及一种废旧磷酸铁锂电池中正极材料和集流体的分离方法。
背景技术：
2.众所周知，锂离子电池经过一定次数的充放电后，容量会逐渐损失直至报废，锂离子电池的使用寿命一般为1-3年，动力锂电池寿命要长一些，所以随着使用量的增加将会产生大量的报废锂离子电池，如不对其处理就填埋将会严重污染环境并影响人体健康，还会造成资源浪费，加大地球现有资源利用的压力，限制锂电池更加长远的发展。因此，无论从环境或经济的角度来看，废旧锂离子电池的回收是势在必行，并亟需加大推进回收产业的力度。
3.目前，磷酸铁锂因其热稳定性高、循环寿命长和成本低而成为锂离子电池最广泛使用的正极材料之一。由于磷酸铁锂电池已经在整个锂离子电池市场中占有超过三分之一的份额，废旧磷酸铁锂电池的数量必将逐年增加，因此对废旧磷酸铁锂电池的回收利用更加迫切和必要。
4.废旧磷酸铁锂电池的正极片一般包括磷酸铁锂的正极材料、高分子粘接剂、石墨导电剂和铝箔集流体，通过高分子粘接剂在制浆过程中的高度分散，将正极材料与导电剂石墨呈网络状紧密粘着在一起，并在高压压片工序时将正极材料与集流体铝箔紧密结合。因此目前有关于正极材料和集流体的分离方法一般包括：有机溶剂溶解粘结剂；高温分解粘结剂；酸碱溶解集流体。
5.锂离子电池的粘结剂采用一般都是pvdf，而pvdf能够溶解在一些有机溶剂中，有人就提出了通过有机溶剂浸泡极片，使pvdf溶解达到正极活性材料与集流体分离的效果。但考虑到有机溶剂具有较大的黏度，不可避免会增加溶解后固液分离过滤时的难度，固液分离困难则意味着有机溶剂难以回收并再次使用；更何况有机溶剂有毒且容易挥发，对生态环境安全和生产人员的身体健康有着潜在危害。
6.粘结剂在高温下能够分解，因此理论上采用高温分解粘结剂的方法即可达到活性物质与集流体的分离。中南大学的liang sun和keqiang qiu研究了在真空条件下进行高温处理，有机物被分解的方法，实现正极活性材料与集流体的分离(sun l，qiu k q，vacuum pyrolys is and hydrometallurgical process for the recovery of valuablemetals from spent lithium-ion batteries，journal of hazardous materials，2011，194:378-384)。但是并不是所有粘结剂都能够裂解完全，因此杂质残留通常较多，并且在这样高的温度下有可能会使正极材料本身的结构性能发生改变，不利于回收利用；同时高温对于设备的要求、工艺操作难度和能源消耗都会相应提高。
7.集流体由于能够被酸碱溶解，而且某些活性物质也能够溶解在酸碱中，因此采用酸碱处理能够达到正极活性材料与集流体的分离。shin，kim采用了酸+双氧水使正极活性材料溶解浸出的工艺，并且考察了金属碎片的大小，以及前处理的焚烧过程等对溶出效率
的影响(shin s m，kimn h et al，development of a metal recovery process from li-ion battery wastes，hydrometallurgy，200，79:17-181)。但是对于本领域人员来说，无论是对正极片进行碱浸还是酸浸处理，此操作都得不到纯净的铝箔片，更何况这种工艺流程冗杂，反应周期长，难以工业化推广。
8.还有些分离方法是将正极片破碎成卷曲为颗粒状的铝箔和正极活性粉末。铝箔颗粒内会包裹部分正极活性材料造成回收率降低，正极材料由片状破碎为细粒导致回收难度增大，回收率低，分离效果也不理想。
技术实现要素：
9.基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种废旧磷酸铁锂电池中正极材料和集流体的分离方法，该方法无需使用有机溶剂或者高温煅烧或者碱浸、酸浸处理就可以有效分离出正极材料与集流体，整个方法工艺简单却回收效率高，实现了低成本、无害化的处置目标。
10.本发明提出的一种废旧磷酸铁锂电池中正极材料和集流体的分离方法，包括如下步骤：
11.s1、将废旧磷酸铁锂电池拆解得到的正极片低温热解，使得正极片中正极材料和集流体之间的粘结剂劣化以降低粘结力；
12.s2、将上述低温热解后的正极片再浸入水中超声震荡，使得正极材料从集流体上脱离以实现正极材料和集流体的分离回收。
13.本发明中，先将正极片进行低温热解，使得正极材料与集流体之间的粘结剂劣化，既降低了粘结剂的粘结力，又有助于粘结剂后续在水中溶解；此后将正极片浸入水中超声震荡，在超声波的机械辅助作用下，粘结剂能够加速溶于水中，从而使得正极材料与集流体之间的粘结效应基本失效，正极材料可彻底从集流体上剥离，最终实现正极材料和集流体的整片完全分离。
14.优选地，s1中，所述低温热解的温度为100-160℃，时间为1-3h。
15.本发明中，低温热解可以使粘结剂发生热变形，从而有助于降低粘结剂的粘结力同时有助于后续在水中溶解，这里通过控制正极片在热解中的热解温度和时间，可有效调控正极材料和集流体之间的粘结剂的劣化程度，既避免了温度过高，时间过长时粘结剂分子链断裂，降低粘结剂水溶性反而不利于后续浸水去除粘结剂，又避免温度过低，时间过短时粘结剂未有劣化，粘结剂层结合紧密同样不利于浸水去除粘结剂；发明人发现，只有当所述低温热解的温度为100-160℃，时间为1-3h，再结合浸水和超声辅助处理，正极片上的粘结剂层将基本失效，正极材料彻底剥离同时，还不会破坏正极材料中磷酸铁锂的微观结构，从而保证了回收效率和所得磷酸铁锂回收后的电化学性能。
16.优选地，s1中，所述低温热解是在惰性气体下进行；
17.优选地，所述惰性气体为氮气。
18.优选地，s2中，所述超声震荡的功率为400-1200w，时间为5-10min。
19.本发明中，超声波的高速震荡波作用能够促进正极片中粘结剂溶解分散至水中，这里通过控制超声功率和时间，既避免功率过大，时间过长时正极材料破碎成碎片导致回收率降低，又避免功率过小，时间过短时不足以使粘结剂溶解分散至水中；因此通过控制所
述超声震荡的功率为400-1200w，时间为5-10min，使得粘结剂能够有效溶于水中从而基本失效，提高了正极材料和集流体的回收效率。
20.优选地，s2中，所述正极片与水的重量体积比为0.1-0.5g/ml。
21.优选地，s1中，将废旧磷酸铁锂电池拆解得到的正极片低温热解之前，还包括：将废旧磷酸铁锂电池充分放电后进行拆解，分离出正极片。
22.优选地，s1中，所述正极片包括磷酸铁锂正极材料、粘结剂和铝箔集流体；
23.优选地，所述粘结剂包括水溶性粘结剂，优选为羧甲基纤维素钠。
24.优选地，s2中，将上述低温热解后的正极片浸入水中超声震荡之后，还包括：直接从所得震荡处理液中分离出正极材料和集流体，烘干后，即得到分离回收后的正极材料和集流体；
25.优选地，所述分离回收后的正极材料和集流体呈片状。
26.本发明还提出一种上述分离方法在再生正极材料中的应用。
27.本发明对废旧磷酸铁锂电池拆解所得的正极片进行低温热解，正极片中的粘结剂在热解温度下发生热变形，降低粘结强度同时增强水溶性；之后将正极片置于水中超声震荡，粘结剂溶解于水从而基本失效，正极材料能够彻底从集流体上剥离，大大提高了正极材料与集流体二者的分离效率和回收率。
28.本发明中所述正极材料和集流体回收率都在99％以上，纯度也达到99.5％以上，回收所得铝箔干净、完整并舒展，正极材料呈大片状没有碎屑、细粒析出，因此特别适用于废旧磷酸铁锂的回收再利用。
29.本发明方法整体简便快捷，相比于传统利用有机溶剂、高温煅烧、酸浸或碱浸等回收正极材料的方法，不仅方法简单、成本低、效率高，更是避免了对环境的二次污染。
附图说明
30.图1为本发明实施例分离得到的磷酸铁锂正极材料和铝箔的结构示意图；
31.图2为本发明实施例所述分离方法的工艺流程图。
具体实施方式
32.下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明，但是应该明确提出这些实施例用于举例说明，但是不解释为限制本发明的范围。
33.实施例1
34.参照图2，本实施例提出一种废旧磷酸铁锂电池中正极材料和集流体的分离方法，包括：
35.将废旧磷酸铁锂电池完全放电后进行机械拆解，去除外壳，分离出正极片、负极片和隔膜；
36.将上述废旧磷酸铁锂电池拆解得到的正极片剪成小片，在氮气气氛中，置于120℃烘箱中低温热解2h；
37.将上述低温热解后的正极片加入去离子水中，控制正极片与水的重量体积比为0.3g/ml，再置于超声反应釜内以800w的功率超声震荡7min，正极材料即从集流体上整片剥落，直接分离出磷酸铁锂的正极材料和铝箔的集流体，用去离子水洗涤后烘干，即得到片状
的磷酸铁锂正极材料和铝箔。
38.参照图1可知，上述对废旧磷酸铁锂正极片的分离回收后，所得片状的磷酸铁锂正极材料表面没有碎屑、细粒析出，未有任何残留，铝箔也干净、完整并舒展；其中磷酸铁锂正极材料和铝箔的回收率分别为99.6％和99.8％，所得磷酸铁锂正极材料中al的含量为0.015％。
39.实施例2
40.参照图2，本实施例提出一种废旧磷酸铁锂电池中正极材料和集流体的分离方法，包括：
41.将废旧磷酸铁锂电池完全放电后进行机械拆解，去除外壳，分离出正极片、负极片和隔膜；
42.将上述废旧磷酸铁锂电池拆解得到的正极片剪成小片，在氮气气氛中，置于100℃烘箱中低温热解3h；
43.将上述低温热解后的正极片加入去离子水中，控制正极片与水的重量体积比为0.1g/ml，再置于超声反应釜内以1200w的功率超声震荡5min，正极材料即从集流体上整片剥落，直接分离出磷酸铁锂的正极材料和铝箔的集流体，用去离子水洗涤后烘干，即得到片状的磷酸铁锂正极材料和铝箔。
44.上述对废旧磷酸铁锂正极片的分离回收后，所得片状的磷酸铁锂正极材料表面没有碎屑、细粒析出，未有任何残留，铝箔也干净、完整并舒展，其中磷酸铁锂正极材料和铝箔的回收率分别为99.3％和99.5％，所得磷酸铁锂正极材料中al的含量为0.021％。
45.实施例3
46.参照图2，本实施例提出一种废旧磷酸铁锂电池中正极材料和集流体的分离方法，包括：
47.将废旧磷酸铁锂电池完全放电后进行机械拆解，去除外壳，分离出正极片、负极片和隔膜；
48.将上述废旧磷酸铁锂电池拆解得到的正极片剪成小片，在氮气气氛中，置于160℃烘箱中低温热解1h；
49.将上述低温热解后的正极片加入去离子水中，控制正极片与水的重量体积比为0.5g/ml，再置于超声反应釜内以400w的功率超声震荡10min，正极材料即从集流体上整片剥落，直接分离出磷酸铁锂的正极材料和铝箔的集流体，用去离子水洗涤后烘干，即得到片状的磷酸铁锂正极材料和铝箔。
50.上述对废旧磷酸铁锂正极片的分离回收后，所得片状的磷酸铁锂正极材料表面没有碎屑、细粒析出，未有任何残留，铝箔也干净、完整并舒展，其中磷酸铁锂正极材料和铝箔的回收率分别为99.0％和99.1％，所得磷酸铁锂正极材料中al的含量为0.025％。
51.对比例1
52.本对比例提出一种废旧磷酸铁锂电池中正极材料和集流体的分离方法，包括：
53.将废旧磷酸铁锂电池完全放电后进行机械拆解，去除外壳，分离出正极片、负极片和隔膜；
54.将上述废旧磷酸铁锂电池拆解得到的正极片剪成小片，加入去离子水中，控制正极片与水的重量体积比为0.3g/ml，再置于超声反应釜内以800w的功率超声震荡7min，仅少
部分磷酸铁锂正极材料从铝箔集流体上剥落，分离出的磷酸铁锂的正极材料和铝箔的集流体用去离子水洗涤后烘干，得到回收的磷酸铁锂正极材料和铝箔。
55.上述对废旧磷酸铁锂正极片的分离回收后，所得的磷酸铁锂正极材料表面有碎屑、细粒等大量残留，其中磷酸铁锂正极材料和铝箔的回收率分别为43.6％和34.5％。
56.对比例2
57.本对比例提出一种废旧磷酸铁锂电池中正极材料和集流体的分离方法，包括：
58.将废旧磷酸铁锂电池完全放电后进行机械拆解，去除外壳，分离出正极片、负极片和隔膜；
59.将上述废旧磷酸铁锂电池拆解得到的正极片剪成小片，在氮气气氛中，置于烧结炉中，在450℃下烧结3h；
60.将上述烧结后的正极片加入去离子水中，控制正极片与水的重量体积比为0.3g/ml，再置于超声反应釜内以800w的功率超声震荡7min，正极材料虽然从集流体上有所剥落，但是剥落效果同样不明显，分离出的磷酸铁锂的正极材料和铝箔的集流体用去离子水洗涤后烘干，得到回收的磷酸铁锂正极材料和铝箔。
61.上述对废旧磷酸铁锂正极片的分离回收后，所得的磷酸铁锂正极材料表面有碎屑、细粒等残留，其中磷酸铁锂正极材料和铝箔的回收率分别为72.6％和67.3％。
62.对比例3
63.本对比例提出一种废旧磷酸铁锂电池中正极材料和集流体的分离方法，包括：
64.将废旧磷酸铁锂电池完全放电后进行机械拆解，去除外壳，分离出正极片、负极片和隔膜；
65.将上述废旧磷酸铁锂电池拆解得到的正极片剪成小片，在氮气气氛中，置于60℃烘箱中低温热解2h；
66.将上述低温热解后的正极片加入去离子水中，控制正极片与水的重量体积比为0.3g/ml，再置于超声反应釜内以800w的功率超声震荡7min，正极材料虽然从集流体上有所剥落，但是剥落效果也不明显，分离出的磷酸铁锂的正极材料和铝箔的集流体用去离子水洗涤后烘干，得到回收的磷酸铁锂正极材料和铝箔。
67.上述对废旧磷酸铁锂正极片的分离回收后，所得的磷酸铁锂正极材料表面有碎屑、细粒等残留，其中磷酸铁锂正极材料和铝箔的回收率分别为81.4％和73.8％。
68.对上述实施例和对比例所得的磷酸铁锂正极材料球磨成粉后，260℃恒温下煅烧1h，由此获得的磷酸铁锂粉体可重新作为电池正极材料按以下步骤进行电池组装进行测试：
69.将实施例和对比例所得磷酸铁锂粉体、碳黑和粘结剂(ptfe:羧甲基纤维素钠质量比＝5:1)以质量比＝15:1:1混合制浆，将浆料均匀涂敷到铝箔集流体上，真空干燥后制成正极片；以锂片为对电极，pp为隔膜(celgard2500)，1m lipf6溶解于ec:dec:dmc体积比＝1:1:1的有机溶剂中为电解液，在氩气保护下的手套箱中组装2032扣式电池，进行以下电化学性能测试：
70.在0.1c(1c＝170ma/g)下测量首次充放电比容量，再测量150次循环后的放电容量保持率，结果如下表所示：
[0071][0072]
通过上表结果可知，本发明回收的磷酸铁锂正极材料达到了一般磷酸铁锂正极材料水平，即满足磷酸铁锂电池对正极材料的要求。
[0073]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
技术特征：
1.一种废旧磷酸铁锂电池中正极材料和集流体的分离方法，其特征在于，包括如下步骤：s1、将废旧磷酸铁锂电池拆解得到的正极片低温热解，使得正极片中正极材料和集流体之间的粘结剂劣化以降低粘结力；s2、将上述低温热解后的正极片再浸入水中超声震荡，使得正极材料从集流体上脱离以实现正极材料和集流体的分离回收。2.根据权利要求1所述废旧磷酸铁锂电池中正极材料和集流体的分离方法，其特征在于，s1中，所述低温热解的温度为100-160℃，时间为1-3h。3.根据权利要求2所述废旧磷酸铁锂电池中正极材料和集流体的分离方法，其特征在于，s1中，所述低温热解是在惰性气体下进行。4.根据权利要求1所述废旧磷酸铁锂电池中正极材料和集流体的分离方法，其特征在于，s2中，所述超声震荡的功率为400-1200w，时间为5-10min。5.根据权利要求1所述废旧磷酸铁锂电池中正极材料和集流体的分离方法，其特征在于，s2中，所述正极片与水的重量体积比为0.1-0.5g/ml。6.根据权利要求1所述废旧磷酸铁锂电池中正极材料和集流体的分离方法，其特征在于，s1中，将废旧磷酸铁锂电池拆解得到的正极片低温热解之前，还包括：将废旧磷酸铁锂电池充分放电后进行拆解，分离出正极片。7.根据权利要求1所述废旧磷酸铁锂电池中正极材料和集流体的分离方法，其特征在于，s1中，所述正极片包括磷酸铁锂正极材料、粘结剂和铝箔集流体；所述粘结剂包括水溶性粘结剂。8.根据权利要求1所述废旧磷酸铁锂电池中正极材料和集流体的分离方法，其特征在于，s2中，将上述低温热解后的正极片浸入水中超声震荡之后，还包括：直接从所得震荡处理液中分离出正极材料和集流体，烘干后，即得到分离回收后的正极材料和集流体。9.一种权利要求1-8任一项所述的分离方法在再生正极材料中的应用。
技术总结
本发明提出了一种废旧磷酸铁锂电池中正极材料和集流体的分离方法，包括：将废旧磷酸铁锂电池拆解得到的正极片低温热解，使得正极片中正极材料和集流体之间的粘结剂劣化以降低粘结力；将上述低温热解后的正极片再浸入水中超声震荡，使得正极材料从集流体上脱离以实现正极材料和集流体的分离回收。本发明提出的一种废旧磷酸铁锂电池中正极材料和集流体的分离方法，该方法无需使用有机溶剂或者高温煅烧或者碱浸、酸浸处理就可以有效分离出正极材料与集流体，整个方法工艺简单却回收效率高，实现了低成本、无害化的处置目标。无害化的处置目标。无害化的处置目标。
