锂离子电池内部结构分析及材料回收方法

2019-02-12 11:28:11 来源:ofweek
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一、概述

锂离子电池因其优异的使用性能如电压高、比容量大、无记忆效应等深受各电子产品制造厂商的喜爱,产量逐年增大。锂离子电池目前已深入到我们工作和生活的每一个角落,可以说是随处可见,手机、电脑、相机、充电宝、电动自行车、新能源汽车等都将锂离子电池作为理想的电源。目前全国锂离子电池总的消耗量在78亿只左右。

 

 

图1 不同规格的锂离子电池

 

目前我国手机总产量已超过20亿部,如果一部手机配一块锂离子电池,这些电池的平均寿命为3年,那么3年后,我们身边的废旧锂离子电池数量就可能达到数以百亿块。这还不包括笔记本电脑、照相机、充电宝等常用设备中所使用的锂离子电池。随着新能源汽车的日益普及,锂离子电池在新能源汽车上的应用又将带动锂离子电池的生产。从手机到电动自行车再到电动汽车,生活中的废旧锂离子电池越来越多,而资源却愈加紧张,环保要求日益严格,面对数以万计的废旧锂离子电池若处理不好,人们的身体健康将直接或间接地受到伤害。

 

手机锂离子电池用时间久了会出现鼓包现象,受外力后可能出现破损,电池中含有不稳定的电解质溶液,泄露会污染环境。其电解质六氟磷酸锂(LiPF6)在潮湿的空气中会分解生成有害物质,而碳酸酯类有机溶剂会对水、大气和土壤造成严重污染,严重危害生态系统。即使废锂电池没有发生破损现象,但如果与生活垃圾一起填埋,久而久之,渗出的重金属钴、铜等也会对环境构成潜在的污染。数据显示,1个20g的废旧手机锂电池可污染6000m3的水资源、污染1km2的土地长达50年左右。可见,如果将数以百亿块的手机废电池随意和垃圾一起处置,对人类环境所造成的污染可想而知。

 

其实,废旧锂电池可以回收再利用,如一些有价重金属极具回收价值。通常,废旧锂离子电池中钴、锂、镍的 比 例 分 别 为5%~15%、2%~7%、0.5%~2%,这些金属都是一次资源。尤其是金属钴,因没有单独的矿床,大多伴生于铜、镍矿中,且品位较低,故非常稀少、价格较贵,如果得到有效回收可缓解我国钴资源紧缺的问题。除此之外,废旧锂电池中还含有铜、铝、铁等金属元素,都可以回收再利用,实现物尽其用、变废为宝,不仅环境效益显著,而且经济效益客观。

 

废旧锂电池回收处理,有助于形成“生产-回收-再生产”的循环链,解决废旧锂电池污染和废物利用的问题,实现新能源汽车的持续发展,缓解我国战略金属资源紧缺局面。

 

二、锂离子电池回收处理技术

锂离子电池由正极、负极、电解液、隔膜、集流体、外壳等部分组成。将电池的正极材料、导电剂及有机黏结剂均匀混合后涂抹在铝箔集流体两侧,将负极材料、导电剂、有机黏结剂均匀混合后涂抹在铜箔集流体两侧,正负极中间用隔膜隔开,均浸在有机电解液中,最后用外壳包裹。废旧锂离子电池在回收之前必须彻底放电确保对人身没有伤害后再进行拆解,除去外壳,分离电极正、负极材料、集流体、电解液等,然后再进行下一步的回收。

 

图2 锂离子电池的内部结构图

 

1.锂离子电池外壳的回收

锂电池外壳有钢壳(方型很少使用)、铝壳、镀镍铁壳(圆柱电池使用)、铝塑膜(软包装)等,还有电池的盖帽,即电池正负极的引出端。回收外壳前需对废旧锂电池进行放电预处理后方可拆解,拆解后的塑料及铁外壳可以回收。通常有 :机械粉碎与筛分法,即通过机械破碎、过筛、分选出外壳材料;手工拆解,考虑到对人体的伤害情况尽量不采用这种方法;低温冷冻后拆解,该工艺技术非常环保,但只能回收部分金属材料和锂盐,回收效率低,无法对塑料实现有效回收。

 

2.正极材料的回收

锂离子电池以含锂的化合物作正极,只有锂离子,无金属锂[4]。通常为锰酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰酸锂等材料,目前大部分的锂离子电池正极的活性物质仍采用钴酸锂,因镍钴锰酸锂结合了锰酸锂和钴酸锂两者材料的优势,吸引了众多研究者的兴趣,作为电动自行车和电动汽车的动力电池颇具潜力。

 
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