失效锂离子电池破碎特性研究

论文摘要

锂离子电池因为其重量轻,容量大,携带方便等优点,被广泛使用在数码产品,车辆等领域。由于锂离子电池的使用寿命只有13年,会产生大量的失效锂离子电池。有分析表明:失效后的锂离子电池含钴量为12%18%,锂1.2%1.8%,铜8%10%,铝4%8%。因此大量遗弃失效的锂离子电池不仅会造成严重的环境污染,更是对“资源”的浪费。目前对于失效锂离子电池的资源化利用研究尚处于起步阶段,大都集中于化学法对电极中有价金属Co、Li的提取,对预处理阶段的破碎分解研究甚少,尤其是失效锂离子电池的有效破碎,大都停留在人工拆解阶段,成本高,效率低,严重阻碍了失效锂离子电池的回收利用进程。因此,从失效锂离子电池的破碎力学特性研究出发,选择恰当的破碎方式并选择合适的破碎机型对锂离子电池进行破碎与解离,是失效锂离子电池资源化最关键的基础研究,对失效锂离子电池回收利用的工业化推广,具有重大现实意义。论文采用CMT4000电子万能实验机和ZBC-25A型塑料摆锤冲击实验机,参照国家标准中塑料的压缩、拉伸、弯曲、剪切和冲击性能测定方法,研究了失效锂离子电池的抗压、抗拉、抗弯、抗剪、抗冲击破碎力学性能。结果显示,失效锂离子电池的抗压、抗拉、抗弯和抗剪应力-应变曲线基本都具有典型的塑性材料的应力-应变曲线特征,这些曲线都能服从高斯分布函数,其拟合度R2都能达到0.99以上;失效锂离子电池的抗压强度<抗拉强度<抗剪强度<抗弯强度,抗压模量<抗拉模量<抗剪强度<抗弯模量,从理论上证实了锂离子电池的抗冲击负荷小,锂离子电池的应力-应变曲线呈现的特征是韧而软;而剥离塑料外壳的锂离子电池的内芯,由于其内含电解质,材料非常软,容易屈服断裂。但在抗拉伸性能上,锂离子电池外壳断裂后其内芯不会随之出现断裂,两者具有相对独立性。因此,失效锂离子电池的破碎过程应优先选择带有冲击力的破碎设备。论文采用了MX型冲击式破碎机对失效锂离子电池进行湿式破碎研究。采用数码相机、倒置摄影显微镜、SEM、XRD、EDS等分析仪器对各粒级的破碎产物进行元素和含量分析。镜下结果显示,失效锂离子电池在不同破碎时间、不同用水量和不同破碎量的情况下能得到了高效破碎,钴酸锂、碳素材料全部富集在-0.25mm以下破碎产物中,而塑料外壳、隔离膜、铜箔、铝箔等物质基本富集在+0.25mm以上;破碎产物中各粒级物质基本实现了单体解离。XRD、EDS分析结果表明,-0.25+0.125mm和-0.125+0.075mm破碎产物中主要以Al、Cu、C、LiCoO2等物质为主;-0.075mm破碎产物中主要以C、LiCoO2等物质为主。其中,钴酸锂粉末主要在-0.125+0.075mm破碎产物中富集,其Co、O两元素的含量占75.08%;而碳素材料主要在-0.25+0.125mm和-0.075mm两个破碎产物中富集,其含量分别占73.39%和72.65%。论文还采用氨水-碳酸铵水溶液为浸出体系,在常温常压下通入空气,直接浸出失效锂离子电池+0.5mm破碎产物中的金属Cu的实验探索。结果表明,在常温常压、曝气量为50L/h、不搅拌的情况下,浸出时间7 h时,1:9浸出体系中金属Cu完全浸出,而1:19和1:4浸出体系中Cu的浸出率分别为94.71%和66.62%;对1:9浸出体系采用25L/h的曝气量完全浸出需要23 h;而搅拌可以进一步提高反应速率,可将长达23 h的浸出时间缩短到3 h,同时对50L/h的曝气量可将浸出时间从7h缩短为2h;进出过程中pH值呈现出逐渐降低的规律。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 锂离子电池的定义及材料组成
• 1.2 失效锂离子电池的危害和回收利用价值
• 1.3 失效锂离子电池资源化研究现状
• 1.3.1 冶金回收法
• 1.3.2 直接回收电极材料法
• 1.3.3 失效锂离子电池资源化处理工艺
• 1.3.4 失效锂离子电池资源化方法总结
• 1.4 问题的提出及设想
• 1.4.1 问题提出
• 1.4.2 实验设想
• 第二章 实验方案设计与研究方法
• 2.1 实验流程
• 2.2 测试项目
• 2.2.1 力学性能测定
• 2.2.2 筛分分析
• 2.2.3 XRD 物相分析
• 2.2.4 SEM+EDS 分析
• 2.2.5 ICP 分析仪
• 2.2.6 其它设备
• 第三章 失效锂离子电池材料及力学特性研究
• 3.1 失效锂离子电池的材料性能分析
• 3.1.1 失效锂离子电池的组成
• 3.1.2 电池材料的结合方式
• 3.2 失效锂离子电池的理化性质
• 3.3 失效锂离子电池力学特性研究
• 3.3.1 实验前预处理
• 3.3.2 抗压实验研究
• 3.3.3 抗拉实验研究
• 3.3.4 抗弯实验研究
• 3.3.5 剪切实验研究
• 3.3.6 单摆冲击实验研究
• 3.4 破碎力学性能比较
• 3.5 破碎力学性能曲线的函数拟合
• 3.6 本章小结
• 第四章 失效锂离子电池的冲击破碎
• 4.1 冲击破碎的机理
• 4.2 破碎实验条件
• 4.3 失效锂离子电池破碎过程
• 4.4 破碎效果评价
• 4.4.1 选择性破碎
• 4.4.2 解离度
• 4.4.3 粒度分析
• 4.5 实验结果与讨论
• 4.5.1 破碎产物的粒度分布
• 4.5.2 破碎产物的解离分布
• 4.5.3 破碎产物的EDS 分布
• 4.5.4 破碎产物的XRD 物相分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 +0.5mm破碎产物中铜的氧化氨浸研究
• 5.1 实验原料和方法
• 5.1.1 实验原料
• 5.1.2 实验方法
• 5.2 实验结果与讨论
• 5.2.1 浸出体系浓度对浸出率的影响
• 5.2.2 曝气量对浸出率的影响
• 5.2.3 搅拌对浸出率的影响
• 5.2.4 浸出过程中pH 值的变化
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结
• 6.1 主要工作回顾
• 6.2 本课题今后需进一步研究的地方
• 参考文献
• 个人简历 在读期间发表的学术论文
• 致谢