[发明专利]基于固态电解质的废旧电池锂资源回收装置

说明书

本发明公开了一种基于固态电解质的废旧电池锂资源回收装置，所述的废旧电池锂离子回收装置包括干燥箱、两个正极带卷绕组件、以及至少两个LLZTO陶瓷管组件；所述正极带卷绕组件的上端与充放电机的正极输出端电连接，正极带卷绕组件的下端均分别传动连接有异步电机；所述LLZTO陶瓷管组件的上端分别与去离子水存储罐和氢气回收罐连通，LLZTO陶瓷管组件的下端分别与氢氧化锂回收罐连通；所述LLZO陶瓷管组件分别通过导线与充放电机的负极电连接，本发明构筑了一种用于LiFePO₄、LiCoO₂和LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂等废旧锂离子电池的卷轴式、绿色、高纯锂回收策略，可实现从各类废旧锂离子电池中实现无损化、可重复、高纯度锂资源回收。

技术领域

本发明涉及废旧电池回收利用技术领域,特别是涉及一种基于固态电解质的废旧电池锂资源回收装置。

背景技术

锂作为自然界中最轻的金属，具有较高的电化学活性，与其他固体元素相比，具有最低的氧化还原电位(-3.045Vvs标准氢电极)和最高理论比容量(3870mAh/g)，已成为工业领域的重要能源材料，如电池、核聚变、飞机产品、陶瓷玻璃、润滑剂和水泥。据我们所知，锂在自然界中有两种形式存在，以碳酸锂(Li₂CO₃)的形式存在于锂辉石和锂云母中，以离子态(Li⁺)存在于盐湖、卤水和海水。但是，从矿石中提取锂源对其品质和成本的要求很高，而卤水、海水中的杂质较多，锂浓度低。近年来，随着电动汽车的全球推广，对锂资源的需求迅速增加。据预测，2023年全球市场对锂资源的需求将远远超过其储量，因此，迫切需要开发和利用二次锂资源以应对日益增长的需求。另一方面，未来几年，全球锂离子电池(LIBs)将进入大规模退役阶段。预计2025，年LIBs报废量将超过900万吨，产值将达到237.2亿美元。鉴于动力电池的平均使用寿命为4-6年，正极材料中的锂含量(5-7wt％)远高于卤水和海水，废旧电池中被认为是未来能源使用中最有前途的二次锂资源。

然而，世界上只有5％的废旧锂电池被回收，且锂的回收率不到1％。更糟糕的是，除了TOXCO和AccurecGmbH公司涉及锂的回收外，大多数工业过程都集中在钴、镍的回收上。到目前为止，LIBs回收策略有湿法冶金、火法冶金、生物冶金和混合(结合湿法冶金和火法冶金)。湿法冶金技术主要依靠酸/碱浸出从废LIBs中回收镍、钴、锂，但使用碱和酸浸出会产生大量待处理废液，而锂回收过程通常在最后一步，这不可避免地导致锂浓度低(0.5-3g/L)且杂质高。此外，以火法冶金为主的方法由于时间短、易于规模化，是目前工业上使用最频繁的方法，但仍面临着锂在渣相中损失的问题。同时，高温处理的能耗高，电极中的电解质和其他成分通过燃烧转化为CO₂和其他有害成分如P₂O₅，将造成二次污染。此外，生物冶金法是一种由微生物辅助的矿物生物氧化过程，其中细菌难以培养，动力学速率缓慢和矿浆密度低是其致命弱点。因此，关于废旧LIBs中锂资源的高纯度、无污染回收策略是当前能源领域亟需解决的关键问题。

近年来，Li₇La₃Zr₂O₁₂(LLZTO)基石榴石型固体电解质材料引起了人们的广泛关注，并在固态锂电池领域得到了广泛发展。LLZTO基固体电解质材料在应用方面具有优异的物理和化学优势：(i)室温下具有较高的锂离子电导率(10^-4～10^-3S·cm^-1)。(ii)与金属锂具有良好的兼容性。(iii)宽电化学窗口(高达5VvsLi⁺/Li)。更重要的是，其对锂离子的优越选择性，加上其紧凑的微观结构(99％)，可以实现对干扰离子和水溶液的有效阻断。因此，原则上，LLZTO基固体电解质材料作为介质具有从废LIBs中选择性提取锂资源的应用前景。然而，到目前为止，LLZTO固态电解质在废旧电池锂回收中的应用还未有报道。

发明内容