鋰電池的回收與處理技術(shù)分析

1、文科類專業(yè)規(guī)范格式 201 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 材 料 系 、 部：安全與環(huán)境工程學(xué)院 環(huán)境工程系 學(xué)生姓名： 李偉姣 指導(dǎo)教師： 周雯靜 職 稱： 講師 專 業(yè)： 環(huán)境工程 班 級： 環(huán)本1002 學(xué) 號： 201 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題任務(wù)書系： 專業(yè)： 指導(dǎo)教師周雯靜學(xué)生姓名李偉姣課題名稱鋰電池的回收與處理技術(shù)分析內(nèi)容及任務(wù)內(nèi)容:什么是鋰電池;鋰電池的分類; 鋰電池的構(gòu)造;廢棄鋰電池的危害;鋰電池的回收方法以及處理技術(shù);工程造價估算;任務(wù):深入了解鋰電池的危害并且設(shè)計(jì)出可行的方案使污染最小化;擬達(dá)到的要求或技術(shù)指標(biāo)實(shí)驗(yàn)需用到物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法;進(jìn)度安排起止日期工作內(nèi)容備注2012.11初2

2、012.11中旬2012.11下旬2012.11末構(gòu)思論文收集材料 整理論文 檢查修改主要參考資料1 廢電池與材料的回收利用，化學(xué)工業(yè)出版社2 固體廢物處理處置與工程實(shí)例 ，中國建材工業(yè)出版社教研室意見年 月 日系主管領(lǐng)導(dǎo)意見年 月 日湖南工學(xué)院201 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)教師評閱表系： 學(xué)生姓名李偉姣學(xué) 號班 級環(huán)本1002專 業(yè)環(huán)境工程指導(dǎo)教師姓名周雯靜課題名稱鋰電池的回收與處理技術(shù)分析評語：（包括以下方面，學(xué)習(xí)態(tài)度、工作量完成情況、材料的完整程度和規(guī)范性；檢索和利用文獻(xiàn)能力、計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力；學(xué)術(shù)水平或設(shè)計(jì)水平、綜合運(yùn)用知識能力和創(chuàng)新能力；）是否同意參加答辯：是 否指導(dǎo)教師評定成績分值：

3、指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日湖南工學(xué)院201 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯及最終成績評 定 表系（公章）： 學(xué)生姓名李偉姣學(xué)號班級環(huán)本1002答辯日期課題名稱鋰電池的回收與處理技術(shù)分析指導(dǎo)教師周雯靜成 績 評 定分值評 定小計(jì)教師1教師2教師3教師4教師5課題介紹思路清晰，語言表達(dá)準(zhǔn)確，概念清楚，論點(diǎn)正確，實(shí)驗(yàn)方法科學(xué)，分析歸納合理，結(jié)論嚴(yán)謹(jǐn)，設(shè)計(jì)（論文）有應(yīng)用價值。30答辯表現(xiàn)思維敏捷,回答問題有理論根據(jù)，基本概念清楚，主要問題回答準(zhǔn)確大、深入,知識面寬。必答題40自由提問30合 計(jì)100答 辯 評 分分值：答辯小組長簽名：答辯成績a： ×40指導(dǎo)教師評分分值：指導(dǎo)教師評定成績b： 

4、15;60最終評定成績： 分?jǐn)?shù)： 等級：答辯委員會主任簽名： 年 月 日說明：最終評定成績a+b，兩個成績的百分比由各院、系自己確定，但應(yīng)控制在給定標(biāo)準(zhǔn)的10左右。摘 要隨著電子技術(shù)的發(fā)展以及電子產(chǎn)品的普及,鋰電池已成為人們生活中不可或缺的電源工具.不論是日常生活中用到的遙控器,鐘表,還是人們出行用到的電動車,都離不開鋰電池.由于很多鋰電池使用壽命比較短,隨意的丟棄會對環(huán)境造成非常消極的影響,因此嚴(yán)格規(guī)范鋰電池的回收處理技術(shù)既是十分必然的同時又是意義非凡的.本文初步介紹了鋰電池的種類,組成結(jié)構(gòu),以及國內(nèi)外對鋰電池回收處理的概況,也提出了一些可行的處理技術(shù)對鋰電池進(jìn)行回收處理.關(guān)鍵詞 :鋰電池,

5、回收處理,處理工藝,目 錄一 概況分析 91.1 鋰電池的目前情況 9 1.2 鋰電池的危害 111.3 鋰電池回收處理的重要性 13二 國內(nèi)外廢電池回收處理概況 132.1 歐美日等國電池回收已具相當(dāng)規(guī)模 132.2 我國電池回收量少、網(wǎng)絡(luò)缺、水平底 14三 設(shè)計(jì)范圍 15四 鋰電池的回收和處理工藝 16五 設(shè)備選型 16六 其他需要說明的問題 21參考文獻(xiàn). 21一 概況分析1 .1鋰電池的目前情況1.1.1鋰電池簡介 鋰電池（Lithium battery）是指電化學(xué)體系中含有鋰（包括金屬鋰、鋰合金和鋰離子、鋰聚合物）的電池。鋰電池大致可分為兩類：鋰金屬電池和鋰離子電池。鋰金屬

6、電池通常是不可充電的，且內(nèi)含金屬態(tài)的鋰。鋰離子電池不含有金屬態(tài)的鋰，并且是可以充電的。最早得以應(yīng)用于心臟起搏器中。鋰電池的自放電率極低，放電電壓平緩。使得起植入人體的搏器能夠長期運(yùn)作而不用重新充電。鋰電池一般有高于3.0伏的標(biāo)稱電壓，更適合作集成電路電源。二氧化錳電池，就廣泛用于計(jì)算器，數(shù)位相機(jī)、手表中。 1.1.2 鋰電池的早期研究為了開發(fā)出性能更優(yōu)異的品種，人們對各種材料進(jìn)行了研究。從而制造出前所未有的產(chǎn)品。比如，鋰二氧化硫電池和鋰亞硫酰氯電池就非常有特點(diǎn)。它們的正極活性物質(zhì)同時也是電解液的溶劑。這種結(jié)構(gòu)只有在非水溶液的電化學(xué)體系才會出現(xiàn)。所以，鋰電池的研究，也促進(jìn)了非水體系電化學(xué)理論的發(fā)

7、展。除了使用各種非水溶劑外，人們還進(jìn)行薄膜電池的研究。 1992年Sony成功開發(fā)鋰離子電池。它的實(shí)用化，使人們的行動電話、筆記本、計(jì)算器等攜帶型電子設(shè)備重量和體積大大減小。使用時間大大延長。由于鋰離子電池中不含有重金屬鎘，與鎳鎘電池相比，大大減少了對環(huán)境的污染。1.1.3 鋰電池的后期發(fā)展1 1970年代?？松腗.S.Whittingham采用硫化鈦?zhàn)鳛檎龢O材料，金屬鋰作為負(fù)極材料，制成首個鋰電池。 2. 1980年，J. Goodenough 發(fā)現(xiàn)鈷酸鋰可以作為鋰離子電池正極材料.2 3 1982年伊利諾伊理工大學(xué)(the Illinois Institute of Technology

8、)的R.R.Agarwal和J.R.Selman發(fā)現(xiàn)鋰離子具有嵌入石墨的特性，此過程是快速的，并且可逆。與此同時，采用金屬鋰制成的鋰電池，其安全隱患備受關(guān)注，因此人們嘗試?yán)娩囯x子嵌入石墨的特性制作充電電池。首個可用的鋰離子石墨電極由貝爾實(shí)驗(yàn)室試制成功。 4 1983年M.Thackeray、J.Goodenough等人發(fā)現(xiàn)錳尖晶石是優(yōu)良的正極材料，具有低價、穩(wěn)定和優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)鋰性能。其分解溫度高，且氧化性遠(yuǎn)低于鈷酸鋰，即使出現(xiàn)短路、過充電，也能夠避免了燃燒、爆炸的危險。 5 1989年，A.Manthiram和J.Goodenough發(fā)現(xiàn)采用聚合陰離子的正極將產(chǎn)生更高的電壓。 6 1991

9、年索尼公司與TUSAME 昭和重工發(fā)布首個商用鋰離子電池。隨后，鋰離子電池革新了消費(fèi)電子產(chǎn)品的面貌。 7 1996年P(guān)adhi和Goodenough發(fā)現(xiàn)具有橄欖石結(jié)構(gòu)的磷酸鹽，如磷酸鋰鐵(LiFePO4)，比傳統(tǒng)的正極材料更具優(yōu)越性，因此已成為當(dāng)前主流的正極材料。由于鋰金屬的化學(xué)特性非?；顫?，使得鋰金屬的加工、保存、使用，對環(huán)境要求非常高，所以鋰電池生產(chǎn)要在特殊的環(huán)境條件下進(jìn)行。但是由于鋰電池的很多優(yōu)點(diǎn)，鋰電池被廣泛的應(yīng)用在電子儀表、數(shù)碼和家電產(chǎn)品上。但是，鋰電池多數(shù)是二次電池，也有一次性電池。少數(shù)的二次電池的壽命和安全性比較差。 后來，日本索尼公司發(fā)明了以炭材料為負(fù)極，以含鋰的化合物作正極的

10、鋰電池，在充放電過程中，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子，這就是鋰離子電池。當(dāng)對電池進(jìn)行充電時，電池的正極上有鋰子生成，生成的鋰離子經(jīng)過電解液運(yùn)動到負(fù)極。而作為負(fù)極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，達(dá)到負(fù)極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。同樣，當(dāng)對電池進(jìn)行放電時（即我們使用電池的過程），嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出， 又運(yùn)動回正極?；卣龢O的鋰離子越多，放電容量越高。我們通常所說的電池容量指的就是放電容量。在Li-ion的充放電過程中，鋰離子處于從正極負(fù)極正極的運(yùn)動狀態(tài)。Li-ion Batteries就像一把搖椅，搖椅的兩端為電池的兩極，而鋰離子就象運(yùn)動員一樣在搖椅來回奔跑。

11、所以Li-ion Batteries又叫搖椅式電池。 隨著數(shù)碼產(chǎn)品如手機(jī)、筆記本電腦等產(chǎn)品的廣泛使用，鋰離子電池以優(yōu)異的性能在這類產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用，并在近年逐步向其他產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展。1998年，天津電源研究所開始商業(yè)化生產(chǎn)鋰離子電池。習(xí)慣上，人們把鋰離子電池也稱為鋰電池，但這兩種電池是不一樣的?，F(xiàn)在鋰離子電池已經(jīng)成為了主流。1.2 鋰電池的危害 日益增長的垃圾產(chǎn)量正在使我們居住的星球超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，層出不窮的公害事件、"垃圾圍城"早已為我們敲響了警鐘。如何實(shí)現(xiàn)無害化、減量化、資源化已是當(dāng)務(wù)之急。"放錯了地方的資源"是近年來人們對垃圾的重新認(rèn)識。實(shí)行垃圾分

12、類將使能夠回收的垃圾廢物實(shí)現(xiàn)物盡其用，變廢為寶。就體積和重量而言，廢鋰電池在生活垃圾中是微不足道的，但它的害處卻非常大，；鋰電池中含有汞、鎘、鉛等重金屬物質(zhì)。汞具有強(qiáng)烈的毒性，鉛能造成神經(jīng)紊亂、腎炎等；鎘主要造成腎損傷以及骨疾骨質(zhì)疏松、軟骨癥及骨折。若把廢鋰電池混入生活垃圾中一起填埋，久而久之，慘出的重金屬可能污染地下水和土壤。鋰電池在我們生活中的使用量正在迅速增加，已深入到我們生活和工作的每一個角落。WALKMAN、BP機(jī)、移動電話、照相機(jī)、計(jì)算器。目前，全國的鋰電池消費(fèi)量在70億只左右。據(jù)預(yù)測，到2000年僅BP機(jī)的鋰電池用量就將達(dá)到15.5億只。這些鋰電池若未得到妥善處理，將直接或間接地

13、危害人們的身體健康。實(shí)施并倡鋰電池分類收集活動為越來越多的人們所認(rèn)識，并得到越來越多的重視、支持和參與-與其分散污染，不如集中治理。從我做起，從身邊每一件小事做起，是我們的座右銘。關(guān)愛身邊環(huán)境、參與廢舊鋰電池的分類回收利用是我們每一個人的責(zé)任和義務(wù)。個人的行為也許微不足道，但把我們每個人的力量聯(lián)合起來，便足以托起一種文明，一種與自然共生的文明，一種可持續(xù)發(fā)展的文明。1.3鋰電池回收處理的重要性 綜上所述，由于鋰電池的市場非常之大，使用量也多，但是如果對鋰電池處理不當(dāng)，極有可能對環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展以及人類的健康造成難以預(yù)測的影響，因此，著手研究如何回收鋰電池里珍惜的成分以及如何處理鋰電池里有害的元

14、素成為本篇論文的重點(diǎn)，同時也是社會各界應(yīng)該引起高度重視的問題。二 國內(nèi)外廢電池回收處理概況2.1 歐美日等國電池回收已具相當(dāng)規(guī)模    日本：本田汽車公司正采取措施提取電池內(nèi)可回收利用的金屬，同時與金屬生產(chǎn)商合作提取電池內(nèi)含稀土，以推進(jìn)資源回收利用活動的發(fā)展。豐田汽車公司則從電池中提取金屬鎳作為電池原料，同時也積極推進(jìn)其他金屬的回收利用。此外，日產(chǎn)汽車公司及三菱汽車公司也在其公司內(nèi)進(jìn)行電池回收實(shí)驗(yàn)。    歐洲：回收利用企業(yè)已具備了先進(jìn)的鋰電池回收處理技術(shù)，優(yōu)美科公司新開發(fā)超高溫處理技術(shù)(火法回收)，可用于大量處理廢舊鋰電池。優(yōu)美科公

15、司位于比利時安特衛(wèi)普的霍博肯工廠目前能夠達(dá)到年處理7000噸廢舊充電電池的規(guī)模。    美國：Toxco公司的鋰電池回收處理技術(shù)：在液氮環(huán)境下低溫冷凍電池從而使其材料的化學(xué)性質(zhì)變得不活潑，然后拆開電池分離其中的材料。    美國杜克能源與日本伊藤忠集團(tuán)已簽署共同研發(fā)先進(jìn)能源技術(shù)協(xié)議，著手開展關(guān)于電動汽車電池回收利用的評估與測試工作，包括用于其他用途(家庭能源、儲能電站等)二次利用。    歐美建立了可充電電池回收利用網(wǎng)絡(luò)，相關(guān)資源利用企業(yè)也具備了鋰電池的批量回收利用技術(shù)，為回收處理汽車動力電池做好了技術(shù)儲

16、備。2.2 我國電池回收量少、網(wǎng)絡(luò)缺、水平底    我國車用動力電池尚未出現(xiàn)大規(guī)模報廢的情況，因此尚未建立專業(yè)車用動力電池回收利用體系。汽車用動力電池與消費(fèi)類電子產(chǎn)品中的鎳氫、鎳鎘、鋰電池的回收處理路線基本相同，主要提取鎳、鈷、稀土元素等有價值的金屬，目前國內(nèi)已基本具備相應(yīng)的回收處理技術(shù)。但回收體系建立滯后。主要表現(xiàn)在以下幾個方面。    1.電池回收量少。以鎳回收為例，國內(nèi)每年通過濕法冶煉獲得的8000噸鎳當(dāng)中，通過社會回收渠道回收的鎳電池很少，絕大部分是來源于生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)生的廢料。    2.回收網(wǎng)絡(luò)不

17、健全。國內(nèi)現(xiàn)有廢電池回收網(wǎng)絡(luò)主要還是依附在大大小小的回收公司上，多層級回收網(wǎng)絡(luò)很難保證廢電池的有效回收。一般單個充電電池體積較小，價值低，沒有利益驅(qū)動，回收公司不會主動到消費(fèi)者手中回收廢充電電池。另一方面，成批量的廢電池雖然有一定價值，但由于回收公司太多，多次轉(zhuǎn)賣而加大了資源再生企業(yè)回收難度和回收成本，限制了這些再生企業(yè)的規(guī)?；l(fā)展。    3.回收再生企業(yè)規(guī)模小、水平低。從事鈷鎳金屬回收的企業(yè)雖然多，但這些回收公司的規(guī)模小，且不以電池回收為主，除報廢含鎳、鈷電池以外，往往還從事其他廢舊金屬的回收，這些小回收公司的非專業(yè)化回收，難以保證資源回收率。 &#

18、160;  4.環(huán)保風(fēng)險大：依據(jù)國家法律，企業(yè)需要申請到危險廢物經(jīng)營許可證，才能從事含鎳廢物回收和處理。但由于利益趨勢，社會上大量存在著沒有獲得危險廢物經(jīng)營許可證的企業(yè)非法從事報廢電池等含鎳、鈷元素的廢物的回收和提煉，不僅擾亂市場，還帶來環(huán)境和安全隱患。三 設(shè)計(jì)范圍3.1鋰電池3.1.1鋰電池的結(jié)構(gòu)鋰電池通常有兩種外型：圓柱型和方型。電池內(nèi)部采用螺旋繞制結(jié)構(gòu)，用一種非常精細(xì)而滲透性很強(qiáng)的聚乙烯薄膜隔離材料在正、負(fù)極間間隔而成。正極包括由鈷酸鋰    方形電池結(jié)構(gòu)   圓形電池結(jié)構(gòu)及鋁箔組成的電流收集極。負(fù)極由石墨化碳材料和銅箔組成的電流收集極組

19、成。電池內(nèi)充有有機(jī)電解質(zhì)溶液。另外還裝有安全閥和PTC元件（部分圓柱式使用），以便電池在不正常狀態(tài)及輸出短路時保護(hù)電池不受損壞。 單節(jié)鋰電池的電壓為3.7V（磷酸亞鐵鋰正極的為3.2V），電池容量也不可能無限大，因此，常常將單節(jié)鋰電池進(jìn)行串、并聯(lián)處理，以滿足不同場合的要求。 四 鋰電池的回收和處理工藝 4.1 鋰電池的回收 金屬鋰在電池中的應(yīng)用有許多。鋰離子二次電池是用鋰量最大的品種。鋰離子二次電池的最大的特點(diǎn)是容量大，尺寸小，質(zhì)量輕，同時不含有對環(huán)境造成威海的貢，鎘和鉛等金屬，可充電使用多次。因此含鋰電池已經(jīng)成為電池發(fā)展的一個重要方向，鋰電池的用量也快速上升。 相對而言，廢鋰離子二次電池中最

20、具有回收價值的金屬是鈷，而不是鋰。1.1絡(luò)合-離子交換法回收鈷鎳等金屬 1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1.1 學(xué)習(xí)離子交換分離的操作方法（包括樹脂預(yù)處理、裝柱、離子交換和淋洗）。1.2 了解離子交換分離在定量分析中的應(yīng)用。1.3 應(yīng)用絡(luò)合滴定方法測定鈷和鎳的含量。 4.2 實(shí)驗(yàn)原理 金屬離子 Mn2+、Co2+、 Cu2+、 Fe3+、Zn2+在鹽酸溶液中能形成氯絡(luò)陰離子，而Ni2+則不能形成氯絡(luò)陰離子，又由于各種金屬絡(luò)陰離子的穩(wěn)定性不同，生成絡(luò)陰離子所需的Cl-的濃度也不相同，因此可利用陰離子交換柱，選用不同濃度的鹽酸作為洗脫液而將這些離子分離。本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行鈷、鎳離子的分離。當(dāng)試液中鹽酸濃度為9mol

21、3;L-1時，Ni2+仍為陽離子，不被陰離子交換樹脂吸附，而Co2+形成CoCl42-，能被陰離子交換柱吸附，交換反應(yīng)為：2R4N+2Cl- + CoCl42-=(R4N+)2CoCl42- 2Cl-吸附后，交換柱上呈顯鈷的藍(lán)色帶。用9mol·L-1 的HCI洗脫， Ni2+首先被淋洗而流出交換柱，流出液呈淡黃色。接著用0.1mol·L-1HCl洗脫，CoCl42-轉(zhuǎn)變成Co2+被洗出柱，然后分別用EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液摘定流出液中鎳與鈷的含量。按以下公式計(jì)算分離后鎳與鈷的回收率。    根據(jù)回收率的大小討論實(shí)驗(yàn)的分離效果。3.儀器與試劑3.1 鎳標(biāo)

22、準(zhǔn)溶液 10 mg·mL-1:稱取分析純 NiCl2·6H2O試劑 4.048g，用 2mol·L-1HCl 30mL溶解，移入100 mL容量瓶并用2mol·L-1HCl稀釋至刻度。3.2 鈷標(biāo)準(zhǔn)溶液 10 mg·L-1:稱取分析純CoCl2·6H2O試劑 4.036 g，用2mol·L-1 HCl 30 mL溶解，移入100mL容量瓶，用2mol·L-1HCl稀釋至刻度。3.3 標(biāo)準(zhǔn)鋅溶液(0.02mol·L-1),用純鋅片溶解于少量的6mol·L-1的HCl中配制，稀釋成所需濃度。3.4

23、EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液(0.02mol·L-1):按絡(luò)合滴定實(shí)驗(yàn)中方法配制。3.5 二甲酚橙水溶液:0.2。3.6 六次甲基四胺水溶液20，用2 mol·L-1鹽酸調(diào)至pH5.8。3.7 鹽酸溶液9、6、2和001mol·L-1。3.8 NaOH溶液 6和2mol·L-1。3.9 定性鑒定用試劑： 1丁二酮肟乙醇溶液，飽和NH4SCN溶液、戊醇、濃氨水。3.10 離子交換柱：1×20cm4 實(shí)驗(yàn)步驟4.1 交換柱的準(zhǔn)備強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂（國產(chǎn)717，新商品牌號為201×7），氯型，4080目，先用2 mol·L-1 HCl溶液浸

24、泡 24小時，取出樹脂，用水洗凈。繼續(xù)用 2 mol·L-1的NaOH溶液浸泡 2小時，然后用去離子水洗至中性，再用 2mol·L-1HCI浸泡24小時，備用。取一支 1×20cm的玻璃交換柱，底部塞以少許玻璃絲，將樹脂和水緩慢倒入柱中，樹脂柱高約15cm，上面再鋪一層玻璃絲。調(diào)節(jié)流速約為1mL·min-1，待水面下降近樹脂層的上端時（切勿使樹脂干涸），將9mol·L-1的HCl 20mL分次加入柱內(nèi)。4.2 配制試液取鈷、鎳等體積混合后的試液 2.0 mL于 50 mL小燒杯中，加入濃鹽酸 6 mL，使試液中HCl濃度為 9 mol·

25、;L-1。4.3 分離將試液小心移入交換柱中進(jìn)行交換，用250mL錐瓶收集流出液，流速0.5mL·min-1，當(dāng)液面接近到樹脂相時，用20mL 9mol·L-1HCl洗脫Ni2+，開始時用少量9mol·L-1HCl洗滌燒杯，每次 23 mL，洗 34次，洗液均倒入柱中，以保證試液全部轉(zhuǎn)移入交換柱。然后將剩余的9mol·L-1HCl分次倒入交換柱。收集流出液以測定Ni2+。待淋洗近結(jié)束時，取2滴流出液，用濃氨水堿化，再加2滴1丁二酮肟，以檢驗(yàn)Ni2+是否洗脫完全。繼用0.1mol·L-1HCl 25mL分5次洗脫Co2+，流速lmL·min-1，收集流出液于另一錐瓶中以備測定Co2+,（用NH4SCN法檢驗(yàn)Co2+是否已洗脫完全）。4.