电池的闪蒸再循环制造技术

用于电池的闪蒸再循环的方法和系统，所述电池包括锂离子电池、其它金属(钠、钾、锌、镁和铝)离子电池、金属电池、具有全金属氧化物阴极的电池、和具有含石墨阳极的电池。该方法和系统包括在毫秒内对包括来自电池的材料的混合物进行的无溶剂和无水的闪蒸焦耳加热(FJH)方法以便再循环该材料。在一些实施方案中，该FJH方法与磁性分离组合以便以高达98％的高产率回收锂、钴、镍和锰。在一些实施方案中，该FJH方法随后进行用稀酸(如0.01M HCl)的漂洗。在另一些实施方案中，该FJH方法用于提纯电池中的石墨，如用于该电池的阳极。如用于该电池的阳极。如用于该电池的阳极。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电池的闪蒸再循环
[0001]相关专利申请的交叉参考
[0002]本申请要求(a)授予James M.Tour等人的题为“Recycling Of Spent Batteries By Flash Joule Heating”的2021年2月8日提交的美国专利申请系列号63/147,069和(b)授予James M.Tour等人的题为“Flash Recycling Of Batteries”的2021年12月3日提交的美国专利申请系列号63/285,952的优先权。这些专利申请中的每一个均由本专利技术的所有人共同拥有。这些专利申请经此引用全文并入本文。
[0003]关于联邦资助研究的声明
[0004]本专利技术在由United States Air Force Office of Scientific Research,授予的批准号FA9550
‑
19
‑1‑
0296和由United States Department of Energy,National Energy Technology Laboratory授予的批准号DE
‑
FE0031794的政府支持下做出。美国政府享有本专利技术的某些权利。


[0005]本专利技术涉及电池的闪蒸再循环，所述电池包括锂离子电池、其它金属(钠、钾、锌、镁和铝)离子电池、金属电池(如固体锂电池)、具有全金属氧化物阴极的电池和具有全含石墨阳极的电池。闪蒸再循环的特征在于无溶剂和无水的闪蒸焦耳加热(FJH)方法，有时与磁分离组合进行以回收锂、钴、镍、锰等(如在阴极中)，和用于纯化电池中的石墨(如在阳极中的石墨)的FJH法。

技术介绍

[0006]废锂离子电池(LIB)的不断积累和它们的有价值金属来源的日益稀缺导致了对有效再循环策略的迫切需求。[Tran 2019；Lv 2018；Xu 2020]。目前的再循环方法可以实现有价值金属的高回收率，但是它们需要高温炉或苛刻的湿法提取方法，并且它们破坏阴极的整个3维(3D)形态，使得它们在经济和环境方面都没有吸引力。[Lv 2018；Natarajan 2018]。因此，少于5％的LIB被再循环，这导致了从矿石中开采金属的持续需求。[Recycle 2019；Vel
á
zquez 2019；Li 2017]。
[0007]对便携式电子设备和电动车辆不断增长的需求加速了商用二次电池，尤其是LIB的生产。[Recycle 2019；Andre 2015]。可充电LIB的市场在2020年达到$500亿左右，并且预计在2022年达到$700亿左右。[Zou 2013]。由于大多数LIB的预期寿命少于10年，并且通常仅为2年[Salvatierra 2021；Chen 2020]，可预见的废LIB的惊人积累是使人不安的。[Recycle 2019；Vel
á
zquez 2019；Li 2017]。此外，在Li和Co开采的预计速度下，这些元素的世界储备预计分别在2050和2030年耗尽。[Natarajan 2018；Jacoby 2020]。废阴极由锂和过渡金属组成，占总重量的～35％，占LIB成本的～45％。[Salvatierra 2021]。废阴极的有效再循环将减少对远程开采这些金属的需要，减少LIB处置的环境后果，并提供对再循环的经济激励。[He 2016]。阳极——尽管为石墨且比阴极便宜——使用电池级的石墨形式，由此对电池级石墨的天然来源而言每吨成本$10,000，且优选的合成电池级石墨每吨高达$
20,000。此外，废阳极具有几个重量百分比的锂和残留在其中的浸出阴极金属，其金属含量甚至高于矿石。因此，从环境的观点来看，不能仅仅将其填埋，并且从经济的观点来看，再循环利用该组分也是有吸引力的。

技术实现思路

[0008]本专利技术涉及用于在毫秒内完成的对包括来自锂离子电池、其它金属离子电池、金属电池、具有全金属氧化物阴极的电池和具有全含石墨阳极的电池的材料混合物进行无溶剂和无水闪蒸焦耳加热(FJH)方法的方法和系统。在一些实施方案中，该FJH法与磁分离组合以便以高达98％的高收率回收锂、钴、镍、锰等。该方法被称为“闪蒸再循环”。可以有效地闪蒸再循环具有不同化学——即锂钴氧化物(LCO)、锂镍锰钴氧化物(NMC)的LIB，和具有混合在一起的LCO与NMC的废LIB。闪蒸再循环产品的表征显示了具有分级特征的完整的3D层状芯结构，因此大大简化了将它们重构为新的阴极。还已经表明，闪蒸过程在闪蒸阴极材料上产生锂离子可渗透的导电碳涂层，由此赋予其改善的电化学稳定性。对当前再循环过程的生命周期分析强调，闪蒸再循环可以显著减少总能量和温室气体(GHG)排放，同时将其转变为经济上有利的过程。
[0009]在另一些实施方案中，FJH方法用于纯化金属离子电池中的石墨，如阳极中的石墨。
[0010]通常，在一个实施方案中，本专利技术的特征在于回收金属的方法。该方法包括形成包含阴极材料的混合物。阴极材料由一个或多个电池制备。该方法进一步包括跨混合物施加电压以便从该阴极材料获得金属和阴极废弃物。该电压以一个或多个电压脉冲施加。一个或多个电压脉冲中每一个的持续时间是一持续期。该方法进一步包括磁性分离金属与阴极废弃物。
[0011]本专利技术的实施方式可以包括一个或多个以下特征：
[0012]该金属可包括选自锂、钴、镍、锰、铁及其组合的阴极金属。
[0013]该金属可包括选自为金属氧化物、金属盐、金属碳酸盐、金属磷酸盐及其组合的阴极金属。
[0014]该阴极金属可包括金属氧化物。
[0015]该金属氧化物可包括氧化钴。
[0016]该阴极金属可包括金属碳酸盐。
[0017]该金属碳酸盐可包括碳酸锂。
[0018]该阴极金属可包括金属磷酸盐。
[0019]该金属磷酸盐可包括磷酸铁。
[0020]该一种或多种电池可包括选自锂离子电池、钠离子电池、钾离子电池、锌离子电池、镁离子电池、铝离子电池、金属离子电池、金属电池、无阳极电池、金属氧电池、金属空气电池及其组合的电池。
[0021]该一种或多种电池可包括一种或多种锂离子电池。
[0022]该一种或多种锂离子电池可包括各自具有锂钴氧化物(LCO)阴极或锂镍锰钴氧化物(NMC)阴极的锂离子电池。
[0023]该一种或多种锂离子电池中的每一种可以各自包括LCO阴极。
[0024]该一种或多种锂离子电池中的每一种可以各自包括NMC阴极。
[0025]通过施加电压获得的金属可包括包含金属磷酸盐的阴极金属。
[0026]该金属磷酸盐可包括磷酸铁。
[0027]该一种或多种锂离子电池中的一些中的每一种可包括LCO阴极，并且该一种或多种锂离子电池中的一些中的每一种可包括NMC阴极。
[0028]该一种或多种锂离子电池可包括具有包含锂钴氧化物(LCO)和锂镍锰钴氧化物(NMC)的混合物的阴极的锂离本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.回收金属的方法，其中所述方法包括：(a)形成包含阴极材料的混合物，其中所述阴极材料由一种或多种电池制备；(b)跨混合物施加电压以从所述阴极材料获得金属和阴极废弃物，其中(i)所述电压以一个或多个电压脉冲施加，和(ii)一个或多个电压脉冲中每一个的持续时间是一持续期；并且(c)磁性分离所述金属与所述阴极废弃物。2.权利要求1的方法，其中所述金属包含选自锂、钴、镍、锰、铁及其组合的阴极金属。3.权利要求1的方法，其中所述金属包含选自为金属氧化物、金属盐、金属碳酸盐、金属磷酸盐及其组合的阴极金属。4.权利要求3的方法，其中所述阴极金属包含金属氧化物。5.权利要求4的方法，其中所述金属氧化物包含氧化钴。6.权利要求3的方法，其中所述阴极金属包含金属碳酸盐。7.权利要求6的方法，其中所述金属碳酸盐包含碳酸锂。8.权利要求3的方法，其中所述阴极金属包含金属磷酸盐。9.权利要求8的方法，其中所述金属磷酸盐包含磷酸铁。10.权利要求1的方法，其中所述一种或多种电池包含选自锂离子电池、钠离子电池、钾离子电池、锌离子电池、镁离子电池、铝离子电池、金属离子电池、金属电池、无阳极电池、金属氧电池、金属空气电池及其组合的电池。11.权利要求1的方法，其中所述一种或多种电池包含一种或多种锂离子电池。12.权利要求11的方法，其中所述一种或多种锂离子电池包含各自具有锂钴氧化物(LCO)阴极或锂镍锰钴氧化物(NMC)阴极的锂离子电池。13.权利要求12的方法，其中所述一种或多种锂离子电池中的每一种各自包含LCO阴极。14.权利要求12的方法，其中所述一种或多种锂离子电池中的每一种各自包含NMC阴极。15.权利要求12的方法，其中通过施加电压获得的金属包括包含金属磷酸盐的阴极金属。16.权利要求15的方法，其中所述金属磷酸盐包含磷酸铁。17.权利要求12的方法，其中所述一种或多种锂离子电池中的一些中的每一种包含LCO阴极，并且所述一种或多种锂离子电池中的一些中的每一种包含NMC阴极。18.权利要求12的方法，其中所述一种或多种锂离子电池包含具有含有锂钴氧化物(LCO)和锂镍锰钴氧化物(NMC)的混合物的阴极的锂离子电池。19.权利要求1的方法，其中所述混合物进一步包含导电添加剂。20.权利要求19的方法，其中所述导电添加剂是碳源。21.权利要求19的方法，其中所述导电添加剂选自石墨、阳极石墨、电池级石墨、单质碳、炭黑、石墨烯、闪蒸石墨烯、乱层石墨烯、煤、无烟煤、焦炭、冶金焦炭、煅烧焦炭、活性炭、生物炭、已脱除其氢原子的天然气碳、活性炭、次石墨、塑料废弃物、衍生自塑料废弃物的碳炭、食品废弃物、衍生自食品废弃物的碳炭、生物质、衍生自生物质的碳炭、衍生自烃类气体的碳炭及其混合物。
22.权利要求19的方法，其中所述导电添加剂是炭黑。23.权利要求19的方法，其中所述导电添加剂主要是单质碳。24.权利要求19的方法，其中所述导电添加剂选自金属、金属盐、金属氧化物、准金属、金属络合物、导电磷和非金属导电材料。25.权利要求24的方法，其中所述导电添加剂选自金属、金属盐、金属氧化物、准金属和金属络合物。26.权利要求24的方法，其中所述导电添加剂是准金属。27.权利要求26的方法，其中所述准金属选自B、Si、As、Te和At。28.权利要求19的方法，其中所述导电添加剂由一种或多种电池的阳极材料来制备。29.权利要求19的方法，其中所述导电添加剂不由一种或多种电池来制备。30.权利要求19的方法，其中所述阴极材料与所述导电添加剂以1:2至25:1范围内的重量比混合。31.权利要求1的方法，其中施加的电压在15V至300V的范围内。32.权利要求1的方法，其中(a)施加电压的混合物的质量超过1千克；和(b)施加的电压为100V至100,000V。33.权利要求32的方法，其中施加电压的混合物的质量超过100千克。34.权利要求1的方法，其中(a)施加电压的混合物的质量超过1千克；和(b)施加的电流为1,000安培至30,000安培。35.权利要求34的方法，其中施加电压的混合物的质量超过100千克。36.权利要求1的方法，其中施加电压时，所述混合物具有0.1欧姆至25欧姆的电阻。37.权利要求1的方法，其中一个或多个电压脉冲中每一个的持续时间的持续期为1微秒至25秒。38.权利要求1的方法，其中一个或多个电压脉冲中每一个的持续时间的持续期为1微秒至10秒。39.权利要求1的方法，其中一个或多个电压脉冲中每一个的持续时间的持续期为1微秒至1秒。40.权利要求1的方法，其中一个或多个电压脉冲中每一个的持续时间的持续期为100微秒至500微秒。41.权利要求1的方法，其中一个或多个电压脉冲为2个电压脉冲至100个电压脉冲。42.权利要求1的方法，其中所述电压脉冲使用直流电(DC)来进行。43.权利要求1的方法，其中所述方法采用脉冲直流电(PDC)焦耳加热法来进行。44.权利要求1的方法，其中所述电压脉冲使用交流电(AC)来进行。45.权利要求1的方法，其中所述电压脉冲通过使用直流电(DC)和交流电来进行。46.权利要求45的方法，其中所述方法在使用直流电(DC)与交流电(AC)之间来回切换。47.权利要求45的方法，其中所述方法同时使用直流电(DC)和交流电(AC)。48.权利要求1的方法，其中所述一个或多个电压脉冲将所述混合物的温度提高到至少3000K。
49.权利要求1的方法，其中通过跨混合物施加电压而获得的金属包含具有碳涂层的金属颗粒。50.权利要求49的方法，其中所述碳涂层是导电的。51.权利要求49的方法，其中所述碳涂层是离子可渗透的。52.权利要求49的方法，其中所述碳涂层是导电的和离子可渗透的。53.权利要求49的方法，其中所述碳涂层对于金属离子是离子可渗透的。54.权利要求53的方法，其中所述金属离子选自锂离子、钠离子、钾离子、镁离子、锌离子和铝离子。55.权利要求49的方法，其中所述碳涂层是无定形的。56.权利要求49的方法，其中所述碳涂层包含石墨烯。57.权利要求1的方法，其中所述方法保持所述阴极材料中阴极的3D层结构。58.权利要求1的方法，其中所述方法保持所述阴极材料中阴极的3D形态。59.权利要求1的方法，其中所述方法破坏所述阴极材料中阴极的3D形态。60.权利要求1的方法，进一步包含冷却步骤，其中所述冷却步骤在磁性分离金属和阴极废弃物的步骤之前冷却所述金属与阴极废弃物。61.权利要求1的方法，其中所述金属与阴极废弃物的重量比为20:1至5:1。62.权利要求61的方法，其中所述金属与阴极废弃物的重量比为10:1至8:1。63.权利要求1的方法，其中在机械分离步骤之后，所述方法进一步包含，跨阴极废弃物施加第二电压，其中(a)所述第二电压以一个或多个第二电压脉冲施加；并且(b)一个或多个第二电压脉冲中每一个的持续时间是第二持续期。64.权利要求63的方法，其中(a)第二电压与跨阴极材料施加的电压相同；(b)第二持续期与跨阴极材料施加的电压的持续周期相同。65.权利要求63的方法，其中(a)跨阴极废弃物施加第二电压获得更多的金属和阴极废弃物的还原部分，和(b)所述方法进一步包含磁性分离附加的金属和阴极废弃物的还原部分。66.权利要求65的方法，其中其它金属与阴极废弃物的还原部分的重量比为至少1:1。67.权利要求66的方法，其中其它金属与阴极废弃物的还原部分的重量比为至少1.5:1。68.权利要求1的方法，进一步包含通过在与阴极废弃物分离后收集金属来回收金属。69.权利要求68的方法，其中(a)所述阴极材料包含第一质量的选自锂、钴、镍、镁及其组合的阴极金属，(b)收集的金属包含至少70重量％的第一质量的阴极金属。70.权利要求69的方法，其中收集的金属包含第一质量的阴极金属中的锂的至少70重量％。71.权利要求69的方法，其中收集的金属包含第一质量的阴极金属中的钴的至少70重量％。72.权利要求69的方法，其中收集的金属包含第一质量的阴极金属中的镍的至少70重
量％。73.权利要求69的方法，其中收集的金属包含第一质量的阴极金属中的镁的至少70重量％。74.权利要求69的方法，其中收集的金属包含第一质量的阴极金属中锂、钴、镍和镁中的每一种的至少70重量％。75.权利要求69的方法，其中收集的金属包含第一质量的阴极金属中的锂的至少90重量％。76.权利要求69的方法，其中收集的金属包含第一质量的阴极金属中的钴的至少90重量％。77.权利要求69的方法，其中收集的金属包含第一质量的阴极金属中的镍的至少90重量％。78.权利要求69的方法，其中收集的金属包含第一质量的阴极金属中的镁的至少90重量％。79.权利要求69的方法，其中收集的金属包含第一质量的阴极金属中锂、钴、镍和镁中的每一种的至少90重量％。80.权利要求1的方法，其中所述方法以连续过程或自动过程进行。81.权利要求1
‑
80任一项的方法，其中所述金属在新的金属离子或金属电池中再循环。82.权利要求81的方法，其中所述金属作为阴极材料在新的金属离子或金属电池中再循环。83.回收金属的方法，其中所述方法包括：(a)形成包含阴极材料的混合物，其中所述阴极材料由一种或多种电池制备；(b)跨混合物施加电压以从所述阴极材料获得金属与阴极废弃物，其中(i)所述电压以一个或多个电压脉冲施加，和(ii)所述一个或多个电压脉冲中每一个的持续时间是一持续期；并且(c)磁性分离所述金属与所述阴极废弃物。84.权利要求83的方法，其中所述一种或多种电池是一种或多种非锂金属离子电池。85.权利要求83的方法，其中所述一种或多种电池包含一种或多种选自锂离子电池、钠离子电池、钾离子电池、锌离子电池、镁离子电池、铝离子电池、金...

【专利技术属性】
技术研发人员：J，
申请(专利权)人：威廉马什赖斯大学，
类型：发明
国别省市：