再循环来自锂固体电池的固体电解质和阴极材料的方法技术

本发明专利技术涉及一种再循环来自锂固体电池的阴极材料和固体电解质的方法，其中所述方法包括以下步骤：

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】再循环来自锂固体电池的固体电解质和阴极材料的方法


[0001]本专利技术涉及一种再循环来自锂固体电池的阴极材料和固体电解质的方法
。

技术介绍

[0002]在下文中，术语“锂固体电池”与现有技术中常用的所有用于在阴极与阳极之间采用至少一种固体电解质作为传导锂离子的化合物的含锂的伽伐尼元件和原电池的名称同义使用，例如锂
‑
金属固体电池
、
锂
‑
金属固体蓄电池
、
全固态电池
(ASSB)、
锂电芯
、
锂离子固体电芯
、
锂
‑
聚合物电芯和锂离子蓄电池
。
尤其包括可充电电池
(
二次电池
)。
术语“电池”、“电芯”和“电化学电池”也与术语“锂固体电池”同义使用
。
另外，术语“锂固体电池”还包括旧电池和旧蓄电池
。
[0003]锂固体电池具有至少两个不同的电极，即正极
(
阴极
)
和负极
(
阳极
)。
在锂固体电池中，阳极包含金属锂或者含锂合金
。
阴极具有至少一种阴极材料，选择性地连同添加物质，如电极粘结剂和导电性添加物质
。
[0004]阴极材料必须能够可逆地接收和放出锂离子
。
[0005]这两个电极经由固体电解质彼此相连，所述固体电解质保证在充放电过程中的离子传输
、
尤其锂离子的离子传输
。
由此，固体电解质能够通过离子传输在固体中传导电流
。
固体电解质可以细分为硫化物型
、
氧化物型和基于聚合物的固体电解质
。
氧化物型和基于聚合物的固体电解质已经得到了工业应用并且例如用作钠
‑
硫蓄电池
、
燃料电池或电容器中的固体电解质，但是基于硫化物的固体电解质仍然处于开发阶段
。
然而，基于硫化物的固体电解质在电池体系
、
尤其锂固体电池的开发和工业化方面蕴含巨大潜力
。
[0006]与含有用于传输锂离子的液体电解质的常规锂离子电池不同，锂固体电池在此基本上由固体成分组成
。
因此，与具有液态电解质的锂离子电池相比，锂固体电池具有一些优点
。
[0007]与常规的锂离子电池相比，用锂固体电池尤其可以实现更高的能量密度
。
因此，对于在至少部分地电力驱动的车辆中的应用而言，锂固体电池是非常有希望的候选者
。
另外，用固体电解质来替代常规电池中甚至部分包含氟化化合物的液态电解质可以使电池的充放电过程更稳定
。
[0008]电力移动技术成功的一个前提条件是通过有效的再循环工艺可以长期获取电池中使用的材料
。
原则上，与从具有液态电解质的用过的锂离子电池中回收原料相比，基于锂固体电池的电芯概念还可以实现再循环方法开发的一条新的途径
。
[0009]从现有技术中已知的用于常规锂离子电池的再循环方法大多数仅加工阴极材料
、
尤其常用的锂
‑
镍
‑
钴氧化物
(NMC)。
再循环借助于水热工艺进行
。
通过用酸例如盐酸或硫酸分解来溶解和浓缩有价值的金属如镍和钴
。
出于安全技术原因，水热工艺必须在受控条件下进行并且其另外对环境不友好并且不节约资源
。
替代方案为锂离子电池的火法冶金再循环，其中电池被热熔融
。
火法冶金过程产生了炉渣以及熔体合金作为产物
。
炉渣可以以湿法冶金方式被进一步加工，以用化学方式溶解和浓缩炉渣中的有价值的金属
。
熔体合金包含
有价值金属的混合物，并且可以被送至进一步的后处理步骤，以分离这些元素并且回收单一种类的金属
。
[0010]然而，所描述的这两种工艺只提供作为纯金属形式的原始元素，例如镍
、
钴
、
铜
、
铬或铝
。
因此，为了重新制备电池，需要重新合成各个电池成分，如阴极材料
、
电解质和阳极材料
。
这意味着在可从再循环的成分获得电池之前需要另一个资源密集且耗能的步骤
。
另外，一些成分
、
尤其新合成的阴极材料必须仍以化学方式被再锂化，以便可再次用于电池体系
。
再锂化例如可以用碳酸锂来进行
。
虽然所描述的工艺可以转用到用于再循环锂固体电池的方法上
。
但是在此没有充分利用新型的固体电池电芯概念的全部潜能
。
[0011]Tan
等人的科技论文
(MRS Energy&Sustainability:A Review Journal,2020)
公开了一种用于硫化物型锂固体电池的再循环工艺，所述锂固体电池具有金属锂作为阳极，
Li6PS5Cl
作为固体电解质以及
LiCoO2作为阴极材料
。
所描述的工艺包括用于分开地再循环电池组分的五个步骤
。
但是这种再循环工艺的前提条件是金属锂阳极完全消耗
。
因此，仅将组分
Li6PS5Cl
和
LiCoO2再循环
。
在第一步骤中将电芯堆叠体拆开，以便可以接近电池内部以进行进一步的工艺步骤
。
然后是用质子溶剂例如乙醇进行后处理，从而形成固体电解质的溶液以及包括阴极材料的不可溶成分
。
在第三步骤中通过过滤或离心将阴极材料从固体电解质的溶液中分离出来
。
在第四步骤中通过干燥而分开地获得固体电解质和阴极材料两者
。
再循环的最后一个步骤包括固体电解质和阴极材料的再生
。
对固体电解质的回火导致产生了重新制备的固体电解质，可以将其再次用于锂固体电池中
。
化学再锂化提供了用于重新用在锂固体电池中的阴极材料
。
[0012]所描述的方法的前提条件是金属锂完全消耗
。
为此必须将电池例如完全放电
。
但是，依据阳极材料的选择和存在的锂量，阴极活性材料对于锂的接收容量是有限的，使得不是对于每种电芯类型都可以实现完全消耗存在于电芯中的金属锂
。
出于这个原因，在日常的再循环工艺中，将具有不同放电状态的电池输送至再循环回路
。
具有不同放电状态的电池因此不适合于用所描述的方法再循环
。
在电池中剩余的残量金属锂可能在所述方法的第一步骤中与质子溶剂反应，这导致反应性极强且难以本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.
一种再循环来自锂固体电池的阴极材料和固体电解质的方法，其中所述方法包括以下步骤：
a)
将所述锂固体电池拆分成固体混合物，其中所述混合物包括组分：锂阳极
、
阴极材料和固体电解质，
b)
将所述固体混合物与非质子溶剂混合，从而形成所述固体电解质在非质子溶剂中的溶液以及包括锂阳极和阴极材料的不可溶成分，
c)
将所述固体电解质的溶液与所述不可溶成分分离，
d)
使所述不可溶成分与质子溶剂进行接触，从而形成通式
LiX
的锂盐在质子溶剂中的溶液以及未溶解的阴极材料，其中
X
表示醇根或氢氧根离子，其中所述锂阳极与所述质子溶剂反应生成氢气和所述锂盐
LiX
，并且其中所述锂盐
LiX
溶解在所述质子溶剂中，
e)
将锂盐
LiX
的溶液与所述未溶解的阴极材料分离，以及
f)
在加入锂化合物的情况下将所分离的阴极材料煅烧
。2.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阴极材料选自由以下项组成的组：锂钴氧化物
(LCO)、
锂镍氧化物
(LNO)、
锂镍钴铝氧化物
(NCA)、
锂镍锰钴氧化物
(NMC)、
锂锰氧化物
(LMO)、
磷酸铁锂
(LFP)、
锂镍锰氧化物
(LMR)、
锂镍锰氧化物尖晶石
(LNMO)
及其组合
。3.
根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述固体电解质包括基于硫化物的固体电解质，优选通式
Li
x
T
y
S
z
R
q
的磷硫化锂和
/
或硼硫化锂，其中
T
表示硼或磷，并且
R
表示卤素，并且其中
2≤x≤7
，
1≤y≤7
，
3≤z≤13
，
0≤q≤1。4.
根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，锂阳极包括锂金属或锂合金，其中所述锂合金优选包括组分锰
、
锌

【专利技术属性】
技术研发人员：R，
申请(专利权)人：宝马股份公司，
类型：发明
国别省市：