随着社会经济实力的不断发展,工业领域成为了支撑我国的中坚力量。而在电池技术中,锂离子动力电池因“能量高”、“寿命长”的特点被广泛应用在的生活中;在正常的应用中,锂离子动力电池在温度范围具有非常明显的“耐受性”;锂离子动力电池的工作原理非常简单,一般都将锂离子动力电池中的“金属锂”作为负极,正极则以“SOCL2”、“MNO2”等;在工业领域,锂离子动力电池在手机、PC、iPad、摄像机等都有着广泛作用,在电压的横向比对中,“酸电池”、“镍电池”与锂离子动力电池相比,锂离子动力电池的电压较高,在保证周围环境不受污染的前提下释放出较大的能量;本文章将就锂离子动力电池的发现状及锂离子动力电池高效绿色再生利用技术、应用前景展开讨论。
一、锂离子电池基本原理及其相关特点:在锂离子电池的构成中,其自身由“正极”、“负极”、“隔膜”以及“电解液”构成。其中锂离子动力电池的正、负极材料可以有效的实现嵌脱锂离子。在整体的工作模式中,锂离子动力电池采用了一种类似于“摇椅式”的工作原理,完成锂离子动力电池的充电与放电过程;在锂离子动力电池的原理分析中,以“石墨”材料作为负极,“LiCoO2”为正极的电池为例,“自冲自放”式化学反应式如图1所示;
因此在日常生活、工业领域中运用钾离子电池,其自身具有“能量高”的特点。在质量比、能量和体积比中,锂离子动力电池的能量可达到120~200W·h/kg和300W·h/L左右;此外,锂离子动力电池自身的放电电压非常之高,据相关测试,锂离子动力电池的3.2~4.2V以上;锂离子动力电池在理想的存放环境下,其自身的自放电率仅为5%左右,减少了持续充电导致的“电池峰值”下降。锂离子动力电池在发展过程中的循环寿命较长,其无记忆效应。
二、离子动力电池发展现状:作为一种新型电池技术,锂离子动力电池与一般电池相比,在保持自身稳定性的作用下具有较高的电压与能量;在锂离子动力电池中,其自身的“正极材料”与电池之间的性能具有非常密切的联系;同时良好的正极材料还将对电池的“整体安全性”、“整体能量密度”、“整体比功率特性”等要素都具有重大影响;在后续的实际使用中,相应的正极材料较多,例如“LiFePO4”、“LiNi1/3”、“Co1/3”等;在材料中“LiCoO2”自身具有“比能量”、“稳定性高”、“工作性能优良”的特点;在一般情况下,“LiCoO2”因电池容量较小,在一些小型设备中应用较多;在“LiN-i1/3Co1/3Mn1/3O2”具有较大容量,其容量可能达到165mAh/g以上;因此“LiN-i1/3Co1/3Mn1/3O2”在许多方面都能发挥出较好作用;在实际使用中,“LiN-i1/3Co1/3Mn1/3O2”具有非常高的安全性;在循环性中,其整体具有一定的“安全性”、“循环功能”以及“耐高温性能”;因此在综合性能比对中,发展局势较好。此外,除“LiN-i1/3Co1/3Mn1/3O2”之外,“LiFePO4”自身的能量较低,整体的振实密度较低。此外由于每种的“正极材料”都具有不同的特性,在实际的应用过稈中,锂离子动力电池应根据整体的需要选择合适的材料;在锂离子动力电池的选择中,其自身主要有两种使用形式,分别为固定的“碳类材料”以及“非碳类材料”。在整体的运用性方面,处于安全性以及成本考量, 整体以碳类材料种类较多;此外在锂离子动力电池中的“碳类材料”中,分别为“硬碳”、“软碳”、“天然石墨”以及“复合碳”等;这些具有明显碳类基础的材料在锂离子动力电池的实际运用中起到了非常良好的效果;此外“碳类材料”还具有原材料广泛性的特点,其材料的获取途径较多,且相关的使用成本较低。但碳材料在具有广泛应用性的同时其自身也具有一定的劣势,例如在进行第一次循环时,锂离子动力电池中的“碳类材料”会损失掉较多的不可逆容量;此外由于碳类材料的特殊性,其在高温状态下,碳材料的基本特性极易与电解液产生相关反应,严重者可能会出现“能量轰聚”,发生爆炸事故。
三、锂离子动力电池高效绿色再生利用工程案例说明
1、技术依托单位:福建某锂电科技有限公司
2、技术发展阶段:3000吨/年中试工程建设设备就位阶段
3、适用范围:技术适用于各种型号电动汽车、老年代步车车、电动自行车、数码电池等锂离子电池的回收再生。
4、主要技术指标和参数:
1)、工艺路线及参数:以电动汽车电池包为例,替换下的电池包通过放电后自动化拆解设备人工辅助拆解上盖、线束、BMS、冷冻液等,将电池包拆解成模组,模组再次放电,然后进行自动化切割,取出单体电芯,电芯放电后进入自动化电芯切割设备,将电芯外壳切开,自动分离收集外壳和极片隔膜。收集的极片隔膜通过自动切割设备切成小块,进料入剥离设备,采用独有的剥离液将正极负极从铜铝箔上洗脱下来,并溶解电解液避免其挥发污染;剥离后根据物料密度不同将铜铝箔隔膜采用涡流分选分离开;正负极粉进入浸出工序,采用酸性浸出剂溶解其中的金属离子,通过控制反应条件,除杂过滤,得到纯净的镍钴锰硫酸盐溶液,滤渣洗涤后干燥收集负极材料。
2)主要技术指标:回收的正负极材料经分离、活化、合成,镍钴锰盐可直接用于新正极前驱体的生产,实验室回收率 98%,锂回收率>90%。回收的石墨、铝箔、铜箔可以再生使用,实现废旧电池材料的内部循环,最大程度上提高废旧电池回收的经济价值。
3)技术特点:针对目前退役锂离子动力蓄电池的处理,开发了单体电池正负极整体解离技术,不需要进行破碎,通过单体电池切割和湿式浸离后,使正负极材料与正负极集流体高效、环保、低能耗、低成本的方法实现分离,突破传统的萃取、电积等污染大的工艺,通过复合酸浸出工艺得到的产品杂质含量符合电子级产品要求;该方法废水废渣少,全封闭式处理、电解液稳定化回收解决了废气产生的问题,工艺安全环保,实现了电池绿色全回收。
4)技术推广应用情况:2018年年中公司通经过大量调研及深度合作交流,确定与中科院合作开发该锂离子动力电池高效绿色再生利用技术的中试应用;通过 FTO 检索分析,该技术处于世界领先水平,但尚未大量推广。经过前期孵化, 2019 年福建某锂电 科技有限公司成为首家独家把该项技术产业化的企业,首期建设产能3000吨/年的电池包处理量,目前应用情况处于设备正常运转就位阶段。
5)实际应用案例工艺
(1)工艺流程
5)实际应用案例工艺
(1)工艺流程
(2)主要工艺 运行和控 制参数
a、拆解切割工序:废旧电池是否带电、切割效率及完整度;
b、精准剥离工序:固液比、剥离时间;
c、机械活化浸出:机械活化时间、方式,浸出固液比、PH;
d.合成工序:温度、搅拌、PH。
(3)关键设备及其它
四、 动力电池的应用前景:在锂动力电池的应用中,得益于其超高的应用性,因此在“便携式设备”、“卫星”、“储备电源”、“电动汽车”等各领域得到综合性发展;在我国目前大力推崇的“二次电源”运用中,具有绝佳的的潜力以及广阔的前景。目前在电动汽车领域,锂动力电池被广泛运用(如新能源汽车等),此外许多著名的汽车厂商针对于锂离子动力电池都致力于开发“纯电动汽车” 以及“混合动力汽车”;值得一提的是,我国“863新能源汽车”在锂离子动力电池领域得到了非常重要的实际突破;在整体的实施过程中,通过相应的技术以及自身的努力, 将我国锂动力电池行业进行了整体提升,实现了综合发展;在针对锂离子动力电池的未来发展中,以“新能源汽车”为例,其自身根据锂离子动力电池的前景设立了综合发展目标,在2012年,实现我国国内新能源汽车“100万辆”的年产值;保守估计这将对锂动力电池的需求将有效达到至少5000兆瓦时,此外不少商家在2009年的上海车展上,推出了基于锂动力的汽车;在“BYD” 的“e6”系列中,其设计理念整体采用了高安全性的“磷酸铁锂”材料;此外锂离子动力电池在我国的航天及军事应用中,因其自身优良的特性得到了有效的运用。作为享有“第三代航天电源”之称的锂离子动力电池,因其优良的特性得到了世界各国的广泛认知。在“NASA”、“ESA”、“JAXA”等已经就锂离子动力电池进行了多年的研究工作;英国更是在其“STRV-d”小型卫星将锂离子电池作为贮能电源,开创了世界先例;我国也在2008年对锂离子动力电池进行了有效运用,例如在2008年发射的“神七伴星”;这项航空技术的贮能电源也采用了锂离子电池技术。目前据相关统计,已由20多颗卫星在后续的运行中采用了锂离子电池作为贮能电源;此外在后续的发射中, 计划采用锂离子电池的共计约有10多颗,在锂离子电池的材料和技术的成熟的未来,相信将会有更多的航天器采用锂离子电池作为贮能电源。
五、结语:综上所述在锂离子动力电池发展现状及应用前景中,随着我国锂离子动力电池的全新发展及锂离子动力电池高效绿色再生利用工程技术研发的不断深入,锂离子电池的份额将发展迅猛;在我国未来的综合发展中,锂离子电池必将实现多方面的改进;在改进中,其具备“高安全性”、“高效率性”、“高长寿命”、“低成本性”及“高环保能源”将作为锂离子电池技术发展的核心方向和追求目标。
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