BG113822A - Method and device for recycling lithium ion batteries - Google Patents
Method and device for recycling lithium ion batteries Download PDFInfo
- Publication number
- BG113822A BG113822A BG113822A BG11382223A BG113822A BG 113822 A BG113822 A BG 113822A BG 113822 A BG113822 A BG 113822A BG 11382223 A BG11382223 A BG 11382223A BG 113822 A BG113822 A BG 113822A
- Authority
- BG
- Bulgaria
- Prior art keywords
- concentration
- exfoliating
- reactor
- exfoliating agent
- mol
- Prior art date
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
- C22B3/00—Extraction of metal compounds from ores or concentrates by wet processes
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
- Y02W30/00—Technologies for solid waste management
- Y02W30/50—Reuse, recycling or recovery technologies
- Y02W30/84—Recycling of batteries or fuel cells
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Geochemistry & Mineralogy (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Geology (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Primary Cells (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
- Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
Abstract
Description
Метод и устройство за рециклиране на литиево йонни батерииMethod and device for recycling lithium-ion batteries
Област на техникатаField of technology
Настоящото изобретение се отнася до метод за ексфолиране на черната маса (ЧМ) от тоководите на излезли от употреба литиево-йонни батерии (ЛИБ) и устройство на ексфолиращ реактор (ЕР), който в комплект решават задачата за разделянето на черната маса (ЧМ) от металните тоководи, работещ със специално създаден за целта нетоксичен и екологичен ексфолиращ агент (ЕА) на водна основа.The present invention relates to a method for exfoliating the black mass (CM) from the conductors of disused lithium-ion batteries (LIB) and an exfoliating reactor (ER) device, which together solve the task of separating the black mass (CM) from the metal conductors, working with a specially created for the purpose non-toxic and environmentally friendly water-based exfoliating agent (EA).
. Предшестващо състояние на техниката. Prior art
Широкомащабното навлизане на портативни електронни устройства налага все повече използването на подходящи захранващи системи, които да могат да посрещнат нарастващите енергийни изисквания в това направление.The widespread introduction of portable electronic devices increasingly requires the use of appropriate power systems that can meet the growing energy demands in this area.
ЛИБ са единственият източник, който може да покрие растящите нужди от енергия при приемливо съотношение на енергийна плътност и тегло. От друга страна, светът обръща все повече внимание на екологията и зелените технологии, които налагат определен начин на мислене и многократно използване на активните електродни материали (АЕМ), носители на енергия в химическите източници на ток.LIBs are the only source that can cover the growing energy needs at an acceptable energy density-to-weight ratio. On the other hand, the world is paying more and more attention to ecology and green technologies, which impose a certain way of thinking and repeated use of active electrode materials (AEM), energy carriers in chemical current sources.
Ежедневно от употреба излизат голямо количество ЛИБ, които, докато работят са незаменим източник на енергия, но след края на своя жизнен цикъл представляват от една страна проблем, поради съдържащите се в тях оксиди или фосфати на токсични тежки метали, като никел, кобалт, манган, алуминий и желязо, които от друга страна са изключително ценни борсови суровини с висока стойност, представляващи интерес за електротехническата и металургична промишленост. Никелът, кобалтът и манганът са основни легиращи добавки към всички видове специални и инструментални стомани. Освен това, излезлите от употреба ЛИБ, загубили частично своите електрохимични характеристики, представляват безценна изходна суровина за производството на нови ЛИБ. На съвременния етап на развитие на икономиката, рециклирането на ЛИБ представлява огромно предизвикателство и е ключов елемент в набиращата скорост кръговата икономика. Извличането, преработването и рециклирането на ективни електродни материали АЕМ, различаващи се само частично по своя елементен състав и електрохимични характеристики от ново синтезирани такива, позволява намаляване повече от четири пъти на разходите за енергия и чиста вода за производството на нови ЛИБ [1-9].A large amount of LIBs are discarded every day, which, while working, are an indispensable source of energy, but after the end of their life cycle, they represent a problem on the one hand, due to the oxides or phosphates of toxic heavy metals, such as nickel, cobalt, manganese, aluminum and iron, which on the other hand are extremely valuable exchange raw materials with high value, of interest to the electrical and metallurgical industries. Nickel, cobalt and manganese are the main alloying additives to all types of special and tool steels. In addition, LIBs that have partially lost their electrochemical characteristics are an invaluable starting material for the production of new LIBs. At the current stage of economic development, LIB recycling represents a huge challenge and is a key element in the rapidly gaining momentum of the circular economy. The extraction, processing and recycling of active electrode materials AEM, differing only partially in their elemental composition and electrochemical characteristics from newly synthesized ones, allows for a more than fourfold reduction in energy and clean water costs for the production of new LIBs [1-9].
ЛИБ се състоят от алуминиев токовод, покрит с активен катоден материал (АКМ), който представлява литиево-никелов манган кобалтов оксид (Li-NMC), литиево-никелов кобалт алуминиев оксид (Li-NCA), литиево железен фосфат (LFP) или смес от тях, и меден токовод, покрит с активен аноден материал (ААМ), който представлява смесен въглероден композит, включващ графит и различни въглеродни добавки, като графени, фулерени, въглеродни нанотръбички, а напоследък и силициеви наночастици, с цел повишаване на специфичните характеристики на ААМ. Като свързващо вещество за производството и на двата електрода, катод и анод, се използва полимера PVdF (поли (винилиден флуорид). Последният е широко използван в съвременната електроника и приборостроене поради висока му стабилност в широк температурен интервал (от -25°С до +150°С) и отлична химическа устойчивост на органични разтворители, киселини и основи [6]. Поли (винилиден флуоридът) PVdF е труден за отстраняване от активната електродна смес, катодна АКМ или анодна ААМ, която представляват така наречената черна смес ЧМ и това затруднява разработването на подходяща технология за отделянето (ексфолирането) на ЧМ от металните тоководи [1-9].LIBs consist of an aluminum conductor coated with an active cathode material (ACM), which is lithium nickel manganese cobalt oxide (Li-NMC), lithium nickel cobalt aluminum oxide (Li-NCA), lithium iron phosphate (LFP) or a mixture thereof, and a copper conductor coated with an active anode material (AAM), which is a mixed carbon composite including graphite and various carbon additives, such as graphene, fullerenes, carbon nanotubes, and recently silicon nanoparticles, in order to enhance the specific characteristics of the AAM. The polymer PVdF (poly(vinylidene fluoride)) is used as a binder for the production of both electrodes, cathode and anode. The latter is widely used in modern electronics and instrument making due to its high stability in a wide temperature range (from -25°C to +150°C) and excellent chemical resistance to organic solvents, acids and bases [6]. Poly(vinylidene fluoride) PVdF is difficult to remove from the active electrode mixture, cathode ACM or anode AAM, which constitute the so-called black mixture HM, and this makes it difficult to develop a suitable technology for the separation (exfoliation) of HM from metal conductors [1-9].
Описаните в литературата методи за рециклиране на излезли от употреба ЛИБ комбинират механични и химични процеси. Механичните процеси се отнасят до разглобяване на батерийния модул, за да се отстрани опаковката и управляващата електроника, последвано от разделяне на пакета до отделни клетки, премахване на остатъчния електрически заряд и раздробяване (смилане) на единичната клетка, т. нар. процес на шредиране [1,7,9] и получаване на шредирана изходна черна маса ШИЧМ. Химичните процеси на обработка на шредирана изходна черна маса ШИЧМ получена от надробените литиево йонни клетки включват три различни подхода - киселинно третиране [1,2,5,6.7], алкално третиране [1,3,4] или обработка с органични разтворители [8]·The methods described in the literature for recycling end-of-life LIBs combine mechanical and chemical processes. Mechanical processes refer to the disassembly of the battery module to remove the packaging and control electronics, followed by separation of the pack into individual cells, removal of the residual electrical charge and crushing (grinding) of the single cell, the so-called shredding process [1,7,9] and obtaining shredded black starting mass SHIM. Chemical processes for processing shredded black starting mass SHIM obtained from shredded lithium-ion cells include three different approaches - acid treatment [1,2,5,6.7], alkaline treatment [1,3,4] or treatment with organic solvents [8]
Киселинното третиране със силни киселини (сярна, азотна, солна киселини или подходяща дву- или три компонентна смес от тях) води до пълно химическо разтваряне както на металноокисната част от ШИЧМ (АКМ), така и на металните тоководи. Като утайка при този процес се отделя въглеродната компонента, която е в количество от около 10-20% от теглото на ШИЧМ. Всички никелови, манганови, кобалтови, алуминиеви, медни, литиеви и железни йони, които подлежат на рециклиране, преминават в разтвор. Процесът се осъществява внимателно, при специално подбрани условия - концентрация, време и температура, в херметично затворени съдове (автоклави и реактори), тъй като се отделят отровни хлорни и/или азотни оксиди. Крайният продукт представлява смес от химически съединения на изходните метали - никел, манган, кобалт, алуминий, мед, литий и желязото под формата на сулфати, хлориди, нитрати или фосфати, в зависимост от използваната киселина). Разделянето на отделните компоненти на тази смес е огромно предизвикателство и налага използването на сложна и комплексна химическа апаратура и създаването на специален системен ход за разделяне на изброените химически елементи един по един. Процесът е дълъг, сложен и енергоемък.Acid treatment with strong acids (sulfuric, nitric, hydrochloric acids or a suitable two- or three-component mixture of them) leads to complete chemical dissolution of both the metal oxide part of the ICHM (ACM) and the metal conductors. The carbon component is separated as a precipitate in this process, which is in an amount of about 10-20% of the weight of the ICHM. All nickel, manganese, cobalt, aluminum, copper, lithium and iron ions that are subject to recycling go into solution. The process is carried out carefully, under specially selected conditions - concentration, time and temperature, in hermetically sealed vessels (autoclaves and reactors), as poisonous chlorine and/or nitrogen oxides are released. The final product is a mixture of chemical compounds of the starting metals - nickel, manganese, cobalt, aluminum, copper, lithium and iron in the form of sulfates, chlorides, nitrates or phosphates, depending on the acid used). Separating the individual components of this mixture is a huge challenge and requires the use of complex and sophisticated chemical equipment and the creation of a special systematic process for separating the listed chemical elements one by one. The process is long, complex and energy-intensive.
Киселинното третиране със относително слаби органични киселини, например оцетна киселина [6] изисква същата сложна технологична схема, като крайният продукт представлява отново същата сложна многокомпонентна смес от метални йони, никелови, манганови, кобалтови, алуминиеви, литиеви, медни и железни соли на използваните киселини. Тук условията са „по-меки“ и средата не е толкова агресивна, но това cq отразява на необходимото време, което се компенсира чрез повишаване на работната температура на процеса.Acid treatment with relatively weak organic acids, for example acetic acid [6] requires the same complex technological scheme, and the final product is again the same complex multicomponent mixture of metal ions, nickel, manganese, cobalt, aluminum, lithium, copper and iron salts of the acids used. Here the conditions are "softer" and the environment is not so aggressive, but this cq is reflected in the time required, which is compensated by increasing the operating temperature of the process.
Използването както на силни минерални киселини, така и на слаби органични киселини доближава процеса до галваничните производства с всички произтичащи последствия и трудности от технологичен и екологичен характер, като използване на сложни и скъпи пречиствателни съоръжения и отделяне на голямо количество промивни води, съдържащи йони на тежки метали като, никел, манган, кобалт, алуминий, мед и желязото.The use of both strong mineral acids and weak organic acids brings the process closer to electroplating production with all the resulting consequences and difficulties of a technological and environmental nature, such as the use of complex and expensive purification equipment and the separation of a large amount of washing water containing ions of heavy metals such as nickel, manganese, cobalt, aluminum, copper and iron.
Алкално третиране със силна основа (натрива или калиева основа) [1,3,4] има за цел отново да разруши връзката на ШИЧМ с токовода и да я освободи. В този случай не се атакува самата ШИЧМ, което е значително по-щадящ процес, а използваните силни основи взаимодействат с тоководите - алуминия на катода и медта на анода. И двата метала са нестабилни в алкална среда и се разтварят, особено алуминия, който отделя стехиметрични количества водород, поставяйки процеса в категорията на силно пожаро и взривоопасен процес, изискващ специално противовзривно изпълнение на цялото оборудване и специални противопожарни мерки от най-висок клас за помещенията.Alkaline treatment with a strong base (potassium hydroxide or potassium hydroxide) [1,3,4] aims to again destroy the connection of the ICHM with the conductor and release it. In this case, the ICHM itself is not attacked, which is a significantly gentler process, and the strong bases used interact with the conductors - aluminum on the cathode and copper on the anode. Both metals are unstable in an alkaline environment and dissolve, especially aluminum, which releases stoichiometric amounts of hydrogen, placing the process in the category of a highly fire and explosion-hazardous process, requiring special explosion-proof design of all equipment and special fire protection measures of the highest class for the premises.
Нов обещаващ метод за разделяне на АКМ от алуминиевия токовод е чрез разтваряне на свързващия полимер PVdF поли(винилиден флуорида) с различни специално подбрани органични разтворители, като NMP (N-метил пиролидин), DMA (Ν,Ν-диметил формамид) или смес от тях. Тези два разтворителя обаче са силно токсични и вредни за операторите, опасни за околната среда и доста скъпи. Регулаторните органи силно ограничават индустриалните им приложения и насърчават замяната им с по-безопасни алтернативи. Bay Y. и колектив [8] използват ТЕР (триетил фосфат), които е значително по-малко токсичен от изброените по-горе разтворители, за възстановяване на АЕМ, чрез разтваряне на свързващо полимерно вещество PVdF. Резултатите показват, че АЕМ се отделят от тоководите без проблеми и без да са ***' застрашени техните физически характеристики, кристална структура и електрохимични характеристики; възстановеното алуминиево и медно фолио са чисти без никакви следи от корозия, а полимерното свързващо вещество може да бъде възстановено чрез фазово разделяне. Разбира се, предлагания ТЕП се оказва доста токсичен, както за хората така и за околната среда.A new promising method for separating ACM from the aluminum conductor is by dissolving the PVdF poly(vinylidene fluoride) bonding polymer with various specially selected organic solvents, such as NMP (N-methyl pyrrolidine), DMA (Ν,Ν-dimethyl formamide) or a mixture of them. However, these two solvents are highly toxic and harmful to operators, environmentally hazardous and quite expensive. Regulatory authorities strongly restrict their industrial applications and encourage their replacement with safer alternatives. Bay Y. et al. [8] used TER (triethyl phosphate), which is significantly less toxic than the above-listed solvents, to recover AEM by dissolving the PVdF bonding polymer. The results show that AEM is separated from the conductors without problems and without compromising their physical characteristics, crystal structure and electrochemical characteristics; the recovered aluminum and copper foil are clean without any traces of corrosion, and the polymer binder can be recovered by phase separation. Of course, the proposed TEP turns out to be quite toxic, both to humans and to the environment.
Направеният анализ на литературата и предлаганите решения показват, че рециклирането на ЛИБ е сложна задача и изисква комплексен и нестандартен подход.The analysis of the literature and the proposed solutions show that the recycling of LIB is a complex task and requires a comprehensive and non-standard approach.
Техническа същност на изобретениетоTechnical essence of the invention
Настоящото изобретение се отнася до метод за ексфолиране на черната маса (ЧМ) от тоководите на излезли от употреба литиево-йонни батерии (ЛИБ) и устройство на £ ексфолиращ реактор (ЕР), който в комплект решават задачата за разделянето на черната маса (ЧМ) от металните тоководи, работещ със специално създаден за целта нетоксичен и екологичен ексфолиращ агент (ЕА) на водна основа.The present invention relates to a method for exfoliating the black mass (CM) from the conductors of disused lithium-ion batteries (LIB) and a device of an £ exfoliating reactor (ER), which together solve the task of separating the black mass (CM) from the metal conductors, working with a specially created for the purpose non-toxic and environmentally friendly water-based exfoliating agent (EA).
Съгласно изобретението, специално разработеният ексфолиращ агент ЕА, на водна основа, който се използва в ексфолиращия реактора ЕР, е екологичен, не е токсичен, не предизвиква алергични реакции при контакт с кожата на човека и не оказва вредно влияние при евентуално вдишване, поради ниския парен натиск. Ексфолиращият агент представлява воден разтвор на многокомпонентна система, включваща подбран коктейл от катиони (Li+, Na4. К+, Mg2+, Са2+, Zn2+, NH4+) и аниони (FhPOc, НРОд2-, РО? , СЮд, NCh', NO2-, НСОз. HSO3·, СОз2’, SO32', SO42', OH', F', Cl’, Вг, I ) и допълнителни модификатори и регулатори на киселинност и pH, като Н2О2 и NH4OH, с обща концентрация от 0.400 до 3.000 mol/L.According to the invention, the specially developed water-based exfoliating agent EA, which is used in the exfoliating reactor EP, is environmentally friendly, non-toxic, does not cause allergic reactions upon contact with human skin and does not have a harmful effect upon possible inhalation due to the low vapor pressure. The exfoliating agent is an aqueous solution of a multicomponent system, including a selected cocktail of cations (Li + , Na 4 . K + , Mg 2+ , Ca 2+ , Zn 2+ , NH4 + ) and anions (FhPOc, HPOd 2- , PO? , ClOd, NCh', NO2-, HCO3. HSO3·, CO3 2 ', SO3 2 ', SO4 2 ', OH', F', Cl', Br, I ) and additional modifiers and regulators of acidity and pH, such as H2O2 and NH4OH, with a total concentration of 0.400 to 3.000 mol/L.
По-специално, ЕА е под формата на воден разтвор със следната концентрация на йони (в mol/L): Li+, Na+, К+ от 0.100 до 1.250; Mg2+, Са2+, Zn2+ от 0.000 до 0.400; NH4+ от 0.000 до 0.400; Н2РО4-, НРОд2’, РОЛ от 0.050 до 0.300; СЮг от 0.050 до 0.150; NO3’, NO?от 0.100 до 0.350; НСОз’, HSO3-, СОз2', 8Оз2', SO?' от 0.000 до 0.050; ОН от 0.000 до 0.050; F’, СТ, Вг, Г от 0.100 до 0.450, и Н2О2 и NH4OH в концентрация 0.050.In particular, EA is in the form of an aqueous solution with the following ion concentration (in mol/L): Li + , Na + , K + from 0.100 to 1.250; Mg 2+ , Ca 2+ , Zn 2+ from 0.000 to 0.400; NH4 + from 0.000 to 0.400; H2PO 4 -, HPOd 2 ', POL from 0.050 to 0.300; Cl2 from 0.050 to 0.150; NO 3 ', NO ? from 0.100 to 0.350; HCO3', HSO3-, CO3 2 ', SO3 2 ', SO?' from 0.000 to 0.050; OH from 0.000 to 0.050; F', CT, Bg, D from 0.100 to 0.450, and H2O2 and NH4OH in a concentration of 0.050.
Съгласно едно изпълнение на изобретението, ЕА е под формата на воден разтвор с pH =7. със следната концентрация на йони (в mol/L): Li+, Na+, К+ - 0.100: Н2РО4·, НРО42' , ΡΟ43- - 0.050; CIO4- - 0.050; ΝΟ3-, NCV - 0.100; F, CL, Вг, Γ - 0.100, и Н2О2 и NH4OH в концентрация 0.050.According to one embodiment of the invention, EA is in the form of an aqueous solution with pH = 7. with the following ion concentration (in mol/L): Li + , Na + , K + - 0.100: H2PO4·, HPO4 2 ' , PO4 3 - - 0.050; CIO4- - 0.050; ΝΟ 3 -, NCV - 0.100; F, CL, Br, Γ - 0.100, and H 2 O 2 and NH 4 OH in concentration 0.050.
Съгласно второ изпълнение на изобретението ЕА е под формата на воден разтвор с pH < 4.5, със следната концентрация на йони (в mol/L): Li+, Na+, К+ - 0.150; Н2РО4 , HPCL2’, РО43’ - 0.100; CIO4- - 0.100; NO3, NO2 - 0.150; НСОз, HSOr, CO3 2‘, SO32; SO42' 0.050; F', Cl·. Br, L - 0.150, и H2O2 и NH4OH в концентрация 0.050.According to a second embodiment of the invention, the EA is in the form of an aqueous solution with pH < 4.5, with the following ion concentration (in mol/L): Li + , Na + , K + - 0.150; H2PO4 , HPCL 2 ', PO4 3 ' - 0.100; CIO4- - 0.100; NO 3 , NO 2 - 0.150; HCO3, HSOr, CO 3 2 ', SO3 2 ; SO4 2 '0.050;F', Cl·. Br, L - 0.150, and H2O2 and NH4OH in a concentration of 0.050.
Съгласно трето изпълнение на изобретението ЕА е под формата на воден разтвор с pH = 6.5-7.5, със следната концентрация на йони (в mol/L): Li+, Na+, К+ - 0.350; Mg2+, Са2+, Zn2+ - 0.100; NH4+ - 0.050; H2PO4-, НРО42', PO43' - 0.100; C1O4- - 0.100; NO3', NCb' 0.100; НСОз', HSO3-, CO32-, SO32-, SO42- 0.050; OH’ - 0.050; F’, Cl, Вг, Г - 0.350, и H2O2 и NH4OH в концентрация 0.050.According to a third embodiment of the invention, EA is in the form of an aqueous solution with pH = 6.5-7.5, with the following ion concentration (in mol/L): Li + , Na + , K + - 0.350; Mg 2+ , Ca 2+ , Zn 2+ - 0.100; NH4 + - 0.050; H2PO4-, HPO4 2 ', PO4 3 ' - 0.100; C1O4- - 0.100; NO 3 ', NCb'0.100;HCO3', HSO3-, CO3 2 -, SO3 2 -, SO4 2 - 0.050; OH' - 0.050; F', Cl, Br, G - 0.350, and H2O 2 and NH 4 OH in a concentration of 0.050.
Съгласно четвърто изпълнение на изобретението Е А е под формата на воден разтвор с pH > 9.5, със следната концентрация на йони (в mol/L): Li+, Na+, К+ - 1.100; Mg2+, Са2+, Zn2+ - 0.400; NH4+ - 0.050; H2PO4-, ΗΡΟ42', PO43 - 0.100; СЮг - 0.100; ΝΟ3, Ο ΝΟ2- - 0.100; OH- - 0.050; F', Cl', Br, Γ - 0.150, и H2O2 и NH4OH в концентрация 0.050.According to a fourth embodiment of the invention, E A is in the form of an aqueous solution with pH > 9.5, with the following ion concentration (in mol/L): Li + , Na + , K + - 1.100; Mg 2+ , Ca 2+ , Zn 2+ - 0.400; NH4 + - 0.050; H2PO4-, ΗΡΟ4 2 ', PO4 3 - 0.100; C102 - 0.100; ΝΟ3, Ο ΝΟ 2 - - 0.100; OH - - 0.050; F', Cl', Br, Γ - 0.150, and H2O2 and NH4OH in a concentration of 0.050.
Съгласно пето изпълнение на изобретението ЕА е под формата на воден разтвор с pH = 7, със следната концентрация на йони (в mol/L): Li+, Na+, К+ - 1.250; Mg2+, Са2+, Zn2+ - 0.400; NH4+ - 0.100; H2PO4-, HPO42', РО43‘ - 0.100; СЮ4 - 0.300; NO3\ NO2 - 0.350; F', Cl’, Br, Г - 0.450, и H2O2 и NH4OH в концентрация 0.050.According to a fifth embodiment of the invention, EA is in the form of an aqueous solution with pH = 7, with the following ion concentration (in mol/L): Li + , Na + , K + - 1.250; Mg 2+ , Ca 2+ , Zn 2+ - 0.400; NH4 + - 0.100; H2PO4-, HPO4 2 ', PO4 3 ' - 0.100; C104 - 0.300; NO 3 \ NO2 - 0.350; F', Cl', Br, G - 0.450, and H2O2 and NH 4 OH in a concentration of 0.050.
В зависимост от концентрацията и състава на използвания ЕА е възможно селективно да бъде ексфолирана ЧМ първоначално само от медния токовод - анода. Така например, при използване на ЕА със състав: Li+, Na+, К+ - 0.350; Mg2+, Са2+, Zn2+ - 0.100; NH4+ - 0.050; Н2РО4-, НРО42-, РО43- - 0.100; C1O4- - 0.100; NO3, NO2 - 0.100; НСОз’, HSO3, СОз2', SO32·, SO42- 0.050: OH - 0.050; F; CL, Br, I - 0.350, и H2O2 и NH4OH в концентрация 0.050, с обща концентрация 1.2 mol/L, pH = 8.5 и температура 50°С, от реактора чрез обикновено утаяване най-напред се отделят количествено парчета от медното фолио. Освободената черна анодна маса, представляваща смес от графит и въглеродни добавки, след промиване се извежда от реактора. След това процесът продължава с ексфолиране на ЧМ на другия електрод - алуминиевия катод, която съдържа металните оксиди Li-NMC, Li-NCA, LFP или смес от тях. При този етап, в зависимост от температурата (>50°С), pH на разтвора (pH > 9.5) и концентрацията на ЕА (1.2 mol/L), може да се разтвори и част от алуминиевото фолио в количество до 20%.Depending on the concentration and composition of the EA used, it is possible to selectively exfoliate the HM initially only from the copper current conductor - the anode. For example, when using an EA with the composition: Li + , Na + , K + - 0.350; Mg 2+ , Ca 2+ , Zn 2+ - 0.100; NH4 + - 0.050; H2PO4-, HPO4 2 -, PO4 3 - - 0.100; C1O4- - 0.100; NO3, NO2 - 0.100; HCO3', HSO3, CO3 2 ', SO3 2 ·, SO4 2 - 0.050: OH - 0.050; F; CL, Br, I - 0.350, and H 2 O 2 and NH 4 OH in a concentration of 0.050, with a total concentration of 1.2 mol/L, pH = 8.5 and a temperature of 50°C, pieces of copper foil are first quantitatively separated from the reactor by simple precipitation. The released black anode mass, which is a mixture of graphite and carbon additives, is removed from the reactor after washing. Then the process continues with the exfoliation of the CM of the other electrode - the aluminum cathode, which contains the metal oxides Li-NMC, Li-NCA, LFP or a mixture of them. At this stage, depending on the temperature (>50°C), the pH of the solution (pH > 9.5) and the concentration of EA (1.2 mol/L), a part of the aluminum foil can also be dissolved in an amount of up to 20%.
Реакторът представлява цилиндричен съд, в който шредираните литиево-йонни клетки и ЕА постъпват отгоре през щуцери, разположени на капака. Смесването им се осъществява в бункер, намиращ се непосредствено под капака и от там работната маса попада в перфориран барабан. Механичното разбъркване на сместа се осъществява от пропелерна бъркалка. В допълнение, компресор подава подходящо количество газ (въздух, азот, аргоно-водородна смес (95/5%), въглероден диоксид или въглероден диоксид/въздух), за да се подпомогне хомогенизирането на сместа. Ексфолиращият реактор ЕР е херметично затворен, което позволява неговата работа да бъде контролирана и управлявана по време на целия технологичен процес - без налягане, под налягане или при понижено налягане. За ускоряване на ексфолирането до четири пъти на дъното на реактора са поставени четири мощни промишлени ултразвукови излъчватели. Отстраняването на ЧМ от тоководите се провежда при стайна температура за около 60 часа. Повишаването на температурата до 50°С води до двукратно намаляване на времето на обработката, докато с увеличаване на концентрацията на Li+, Na+H К+ йони в състава на ЕА до 1.250 mol/L, при температура 20°С, необходимото време е под 8 часа. След края на процеса получената суспензия от ЧМ и ЕА се извежда през щуцер, разположен на дъното на реактора и попада в утаител, където ЧМ се отделя, като компактна утайка, а ЕА се връща за повторно използване и отделяне на ЧМ от нова порция тоководи. За правилното протичане на този сложен физикохимичен процес се грижи микропроцесорната система за управление, която осъществява контрол на температурата в реактора, скоростта на разбъркване и концентрацията на суспензията от Е А и ЧМ. Контролира се също отделеното количество ЧМ на база вложеното количество шредирана маса, определя се количеството на отделената ЧМ и други технологични параметри. Процесът на ексфолиране е периодичен, т.е. след определено време на третиране, перфорираният барабан се изважда от реактора и от него се отделят парчетата медно и алуминиево фолио, като чисти метали (с над 99,9 % чистота), за последваща повторна употреба.The reactor is a cylindrical vessel into which the shredded lithium-ion cells and EA enter from above through nozzles located on the lid. Their mixing takes place in a hopper located directly under the lid and from there the working mass falls into a perforated drum. Mechanical stirring of the mixture is carried out by a propeller stirrer. In addition, a compressor supplies an appropriate amount of gas (air, nitrogen, argon-hydrogen mixture (95/5%), carbon dioxide or carbon dioxide/air) to assist in homogenizing the mixture. The EP exfoliation reactor is hermetically sealed, which allows its operation to be controlled and managed during the entire technological process - without pressure, under pressure or at reduced pressure. To accelerate the exfoliation up to four times, four powerful industrial ultrasonic emitters are placed at the bottom of the reactor. The removal of FM from the current conductors is carried out at room temperature for about 60 hours. Increasing the temperature to 50°C leads to a twofold reduction in the processing time, while increasing the concentration of Li + , Na + H K + ions in the composition of EA to 1.250 mol/L, at a temperature of 20°C, the required time is less than 8 hours. After the end of the process, the resulting suspension of CM and EA is discharged through a nozzle located at the bottom of the reactor and falls into a precipitator, where CM is separated as a compact sediment, and EA is returned for reuse and separation of CM from a new portion of current conductors. The microprocessor control system ensures the proper course of this complex physicochemical process, which controls the temperature in the reactor, the stirring speed and the concentration of the suspension of EA and CM. The amount of separated CM is also controlled based on the amount of shredded mass input, the amount of separated CM and other technological parameters are determined. The exfoliation process is periodic, i.e. After a certain treatment time, the perforated drum is removed from the reactor and the pieces of copper and aluminum foil are separated from it, as pure metals (with over 99.9% purity), for subsequent reuse.
Съгласно друго изпълнение на изобретението, реакторът може да бъде монтиран и под определен ъгъл (от 3° до 89°), по-специално в рамките на от 25° до 65°, което позволява процеса на ексфолиране на ЧМ от тоководите на излезли от употреба ЛИБ да протече при намалено време на третиране, поради подобрена хидродинамика и при условия на контролирано налягане (нормално, повишено или понижено).According to another embodiment of the invention, the reactor can also be installed at a certain angle (from 3° to 89°), in particular within the range of 25° to 65°, which allows the process of exfoliation of FM from the current conductors of disused LIBs to proceed with reduced treatment time, due to improved hydrodynamics and under controlled pressure conditions (normal, increased or decreased).
Конструкцията на реактора и използваният ЕА позволяват ефективно разделяне на ЧМ от носещите тоководи по безопасен начин. Чистотата на получените крайните продукти - алуминиево фолио и смес от AKM (Li-NMC и/или Li-NCA и/или LFP), разделени при преработката на алуминиевите тоководи на ЛИБ, от една страна, и отделено медно фолио от сместа от графит и въглеродна добавка от преработката на медните тоководи от друга, ги прави подходящи за повторна употреба като изходни суровини за производството на нови ЛИБ или за друга преработка.The reactor design and the EA used allow for effective separation of HM from the carrier conductors in a safe manner. The purity of the final products obtained - aluminum foil and a mixture of AKM (Li-NMC and/or Li-NCA and/or LFP), separated during the processing of the aluminum conductors of LIB, on the one hand, and separated copper foil from the mixture of graphite and carbon additive from the processing of the copper conductors on the other, makes them suitable for reuse as starting raw materials for the production of new LIBs or for other processing.
Пояснение на приложените фигуриExplanation of the attached figures
Фигура 1 представлява схема на реактор за ексфолиране на ЧМ от тоководите на излезли от употреба ЛИБ, съгласно изобретението.Figure 1 is a diagram of a reactor for exfoliating FM from the conductors of disused LIBs, according to the invention.
Фигура 2 представя резултатите от електрохимични тестове на АКМ, рециклиран съгласно полезния модел. (А) Разрядно зарядни цикли на рециклиран АЕМ, тестван в стандартна ЛИБ тип CR2032. (В) Първи разрядно зарядни криви на рециклиран АЕМ в стандартна клетка тип CR2032. (С) Разрядно зарядни криви на рециклиран АЕМ при различни токови режими в стандартна клетка тип CR2032. (D) Циклируемост на рециклиран АЕМ тестван в стандартна клетка тип CR2032Figure 2 presents the results of electrochemical tests of ACM recycled according to the utility model. (A) Discharge-charge cycles of recycled AEM tested in a standard CR2032 type LIB. (B) First discharge-charge curves of recycled AEM in a standard CR2032 type cell. (C) Discharge-charge curves of recycled AEM at different current modes in a standard CR2032 type cell. (D) Cyclicity of recycled AEM tested in a standard CR2032 type cell
Примери за изпълнение на изобретениетоExamples of implementation of the invention
Изобретението се пояснява от следните примери, които не го ограничават до:The invention is illustrated by the following examples, which are not intended to limit it:
Пример 1. Представената на фигура 1 схема на реактор за ексфолиране на излезли от употреба ЛИБ включва: корпус (1); щуцери (2) и (3), разположени на капака (4), през които постъпват шредираните литиево-йонни клетки и ЕА; бункер (5), намиращ се непосредствено под капака (4), където се смесват отпадъците от ЛИБ и ЕА и попадат в перфориран барабан (6), снабден с пропелерна бъркалка (7); компресор (8), подаващ подходящо количество газ, за да се подпомогне хомогенизирането на сместа; два мощни промишлени ултразвукови излъчватели (9), разположени на дъното на реактора за ускоряване на процеса на ексфолиране; щуцер (10), разположен на дъното на реактора, от където суспензията от ЧМ и ЕА след края на процеса се извежда; утаител (11) за ЧМ; три пътен кран (12) за връщане на ЕА от утаителя (11) в реактора за повторно използване; и микропроцесорната система за управление (13).Example 1. The scheme of a reactor for exfoliation of used LIBs presented in Figure 1 includes: a housing (1); nozzles (2) and (3) located on the cover (4), through which the shredded lithium-ion cells and EA enter; a hopper (5) located immediately under the cover (4), where the LIB and EA waste are mixed and fall into a perforated drum (6) equipped with a propeller agitator (7); a compressor (8) supplying an appropriate amount of gas to assist in homogenizing the mixture; two powerful industrial ultrasonic emitters (9) located at the bottom of the reactor to accelerate the exfoliation process; a nozzle (10) located at the bottom of the reactor, from where the suspension of CM and EA after the end of the process is removed; a settler (11) for CM; a three-way crane (12) for returning EA from the settler (11) to the reactor for reuse; and the microprocessor control system (13).
Пример 2. При промяна на състава на ексфолиращия агент и температурата на провеждане на процеса се променя времетраенето за отстраняване и разделяне на ЧМ от тоководите. Например, при използване на ексфолиращ агент със състав: Li+, Na+, К+ 0.100; Η2ΡΟ4·, НРО42-, РЕЧ3’ - 0.050; СЮ4- - 0.050; NO3, NO/ - 0.100; F', CP, Br, Г - 0.100, и Н2О2 в концентрация 0.050 (в mol/L), процесът се осъществява при температура 20°С в продължение на 60 часа. С понижаване на pH на ЕА под 4.5 (състав: Li+, Na+, К+ - 0.150; Н2РО4·, НРО42-, РО43· - 0.100; С1О4 - 0.100; NO3', NO2- - 0.150; НСОз', НБОз', СОз2', БОз2' , SO42· - 0.050; F’, СГ, Br, I - 0.150, и Н2О2 в концентрация 0.050 (в mol/L) при същата температура, времето необходимо за разделяне на отделните компоненти на ЧМ е 36 часа. Повишаването на температурата до 50°С води до двукратно намаляване на времето на обработката, докато с увеличаване на концентрацията на Li+, Na+ и К+ йони в състава на ЕА до 1.250 mol/L (състав: Li+, Na+, К+ - 1.250; Mg2+, Са2+, Zn2+ - 0.400; NH4+ - 0.100; Н2РО4-, НРО42’, РО43- - 0.100; С1О4- - 0.300; NO3, NCL' - 0.350; F , Cl', Br, I - 0.450, и H2O2 в концентрация 0.050), при температура 20 °C необходимото време е под 8 часа.Example 2. When changing the composition of the exfoliating agent and the temperature of the process, the time for removal and separation of HM from the conductors changes. For example, when using an exfoliating agent with the composition: Li + , Na + , K + 0.100; Η2ΡΟ4·, ΝΡΟ4 2 -, ΡΕΧ 3 ' - 0.050; ΣΙΟ4- - 0.050; NO 3 , NO/ - 0.100; F', CP, Br, Γ - 0.100, and Ν2Ο2 in a concentration of 0.050 (in mol/L), the process is carried out at a temperature of 20°C for 60 hours. By lowering the pH of EA below 4.5 (composition: Li + , Na + , K + - 0.150; H2PO4·, HPO4 2 -, PO4 3 · - 0.100; С1О4 - 0.100; NO 3 ', NO 2 - - 0.150; HСО3', HБО3', СО3 2 ', БО3 2 ' , SO4 2 · - 0.050; F', СГ, Br, I - 0.150, and H2О2 in a concentration of 0.050 (in mol/L) at the same temperature, the time required for the separation of the individual components of the CM is 36 hours. Increasing the temperature to 50°С leads to a twofold decrease in the processing time, while increasing the concentration of Li + , Na + and K + ions in the composition of EA to 1.250 mol/L (composition: Li + , Na + , K + - 1.250; Mg 2+ , Ca 2+ , Zn 2+ - 0.400; NH4 + - 0.100; H2PO4-, HPO4 2 ', PO4 3 - - 0.100; С1О 4 - - 0.300; NO3, NCL' - 0.350; F , Cl', Br, I - 0.450, and H2O2 in concentration 0.050), at a temperature of 20 °C the time required is less than 8 hours.
Пример 3. Електрохимични тестове на катоден материал, получен чрез ексфолиране с ЕА в реактора, съгласно изобретението.Example 3. Electrochemical tests of cathode material obtained by exfoliation with EA in the reactor according to the invention.
Активният катоден материал, получен чрез ексфолиране с ЕА в реактора, съгласно изобретението, беше тестван за направата на стандартна клетка тип CR2032. Получените резултати, представени на фигура 2, показват, че рециклирания АЕМ проявява почти 75% от началния капацитет на свежо синтезиран (не работил) активен електроден материал, тип смес от литиево-никелов манган кобалтов оксид и литиевокобалтов оксид.The active cathode material obtained by exfoliation with EA in the reactor according to the invention was tested for the manufacture of a standard CR2032 cell. The results obtained, presented in Figure 2, show that the recycled AEM exhibits almost 75% of the initial capacity of a freshly synthesized (not worked) active electrode material, a mixture of lithium nickel manganese cobalt oxide and lithium cobalt oxide.
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| BG113822A BG67819B1 (en) | 2023-12-08 | 2023-12-08 | Method and device for recycling lithium ion batteries |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| BG113822A BG67819B1 (en) | 2023-12-08 | 2023-12-08 | Method and device for recycling lithium ion batteries |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| BG113822A true BG113822A (en) | 2025-06-16 |
| BG67819B1 BG67819B1 (en) | 2025-12-15 |
Family
ID=96300837
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| BG113822A BG67819B1 (en) | 2023-12-08 | 2023-12-08 | Method and device for recycling lithium ion batteries |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| BG (1) | BG67819B1 (en) |
-
2023
- 2023-12-08 BG BG113822A patent/BG67819B1/en unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| BG67819B1 (en) | 2025-12-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Lin et al. | Carbon neutrality strategies for sustainable batteries: from structure, recycling, and properties to applications | |
| US9702024B2 (en) | Method for the hydrometallurgical recovery of lithium, nickel and cobalt from the lithium transition metal oxide-containing fraction of used galvanic cells | |
| Zhang et al. | Sustainable and facile method for the selective recovery of lithium from cathode scrap of spent LiFePO4 batteries | |
| CN113896211B (en) | Treatment method for funding waste lithium iron phosphate battery | |
| Fan et al. | Selective recovery of Li and Fe from spent lithium-ion batteries by an environmentally friendly mechanochemical approach | |
| Zhang et al. | Recycling spent lithium-ion battery cathode: an overview | |
| He et al. | Recovery of lithium, nickel, cobalt, and manganese from spent lithium-ion batteries using L-tartaric acid as a leachant | |
| Wang et al. | An environmental benign process for cobalt and lithium recovery from spent lithium-ion batteries by mechanochemical approach | |
| Li et al. | Recovery of lithium, iron, and phosphorus from spent LiFePO4 batteries using stoichiometric sulfuric acid leaching system | |
| US20240313285A1 (en) | Recovery of Metals from Materials Containing Lithium and Iron | |
| Li et al. | Application of roasting flotation technology to enrich valuable metals from spent LiFePO4 batteries | |
| Jiang et al. | Recovery of iron from titanium white waste for the preparation of LiFePO4 battery | |
| Bai et al. | Clean universal solid-state recovery method of waste lithium-ion battery ternary positive materials and their electrochemical properties | |
| EP3892588A1 (en) | Production method for lithium-containing solution | |
| Yu et al. | Unveiling sodium ion pollution in spray-dried precursors and its implications for the green upcycling of spent lithium-ion batteries | |
| US10711326B2 (en) | Method for the hydrometallurgical recovery of lithium from the lithium manganese oxide-containing fraction of used galvanic cells | |
| Li et al. | High-efficiency leaching process for selective leaching of lithium from spent lithium iron phosphate | |
| Yan et al. | A closed-loop process for high-value regeneration of spent LiFePO 4 cathodes after selective aluminium precipitation | |
| Zeng et al. | Selective recycling lithium from spent lithium batteries using carbonate ester derived from electrolyte in hydrothermal environments | |
| Yin et al. | Constructing advanced oxidation field by ultrasound towards separation of lithium from spent lithium iron phosphate | |
| Lin et al. | Two targets, one strike: Efficient recovery of lithium and simultaneous removal of impurities from spent LFP batteries via ferric ions assisted air oxidation method | |
| BG113822A (en) | Method and device for recycling lithium ion batteries | |
| CN1332475C (en) | Production of LixCoO2 from recovering waste lithium ionic battery | |
| EP3705181B1 (en) | Method for producing lithium adsorbent precursor | |
| BG4635U1 (en) | DEVICE FOR RECYCLING LITHIUM ION BATTERIES |