[发明专利]制备锂电池阴极的前体化合物的方法

说明书

本公开涉及用于锂电池阴极的前体化合物的生产。在还原条件下熔炼电池或其废料，从而形成适合进一步湿法冶金精炼的合金和熔渣。在酸性条件下浸提所述合金，产生载Ni和Co溶液，对其进行精炼。精炼步骤被大大简化，因为大多数易受所述精炼步骤干扰的元素集中在所述熔渣中。然后从所述溶液中沉淀出金属如Co、Ni和Mn，形成用于合成新电池前体化合物的合适的起始产物。

本公开涉及锂离子可再充电电池。一种流行的电池化学涉及基本上由金属锂、镍、锰和钴(NMC)的氧化物组成的阴极粉末。另一种大量使用的化学利用基本上由锂、镍、钴和铝(NCA)组成的阴极粉末，也是氧化物的形式。

在锂离子电池的生命周期期间，产生了多种废材料，这些废料需要再循环以符合环境规章和法规。

先前在电池的制造方法期间，由于难以满足质量标准而产生生产废物。因此，必须处理不合格的中间体。这些材料从阴极粉末、电极箔、隔膜箔，到完成被充电且含有电解质的电池单元或模块，多种多样。

除了生产废物之外，寿命终止的电池也需要再循环。这产生甚至更复杂的废物流，主要包含锂电池，包括所述锂电池所有的成分以及电气或电子组件，但还可能包含少量的非锂电池，例如镍-镉、镍-金属-氢化物和锌电池。

这些生产废物和寿命终止电池的衍生物也可以以粉末部分或黑色物质的形式用于再循环，这些粉末部分或黑色物质是机械和/或预热处理的结果。

随着越来越多的成分被添加到产品中，废弃材料的化学复杂性随着制造方法的结束而增加。因此，电池单元和模块含有大量在元素周期表中的元素，例如阴极中的Ni、Co、Mn、Li、Fe、Al、V、P、F、C、Ti和Mg，阳极中的Li、Ti、Si、C、Al和Cu，电解质中的Li、F、P和挥发性有机化合物，以及壳体中的Al、Fe、Cu、Ni、Cr和具有Cl和Br的塑料。

在未来的10年期间，预计废旧电池的量每年超过100,000吨，主要是由于汽车工业正在进行的电气化。电池再循环业务也相应地增长。

本公开涉及用于锂电池阴极的前体化合物的生产。阴极制造的传统方法包括生产纯的单独的镍、锰和钴前体化合物，将其根据精确的比率混合，然后与锂化合物一起烧制。

已经提出了一种改进的生产方案，其从废旧电池开始，从其中的主要元素镍、锰和钴中获益：将这些金属一起精炼而不是单独分离和提纯。适当精炼的混合物确实可以含有3种必要元素，所述3种必要元素的比率使得其适合在新鲜阴极的制备中再利用。

US 9,834,827中示例了这种方案。所述方案基于从废旧电池单元回收的阴极材料的湿法冶金处理。尽管在理论上是有前景的，但它引入了实操上的挑战。所述方法确实需要初步分离步骤以将阴极材料与壳体和其它电池部件分离。这包括机械(通过粉碎)和物理(通过磁分离)处理、PVDF去除(使用溶剂)以及Cu和Al去除(通过沉淀和过滤)，然后进行镍、锰和钴的任何化学提纯。缺点是：

-将电池压碎和切碎，这是潜在地释放有毒挥发性化合物和/或细颗粒的危险方法步骤；在压碎和切碎期间，可能发生火灾或爆炸，特别是如果电池未被适当地放电更是情况如此；

-通常基于LiPF₆的电解质需要聚碳酸酯溶剂，聚碳酸酯溶剂由于其高蒸汽压而是危险的；

-利用N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)溶解PVDF粘合剂，由于NMP的致癌性质而涉及健康风险；NMP仅在未公开的和可能复杂的NMP-PVDF混合物处理之后回收；

-镍、锰和钴的提纯需要复杂的步骤，因为浸提操作不是选择性的，导致在母液中存在许多不期望的杂质。

上述提纯步骤例如受到可以在酸性介质中产生HF的F的存在的影响，受到可能含有一些Ni-Cd电池的进料中的Cd的影响，受到可能含有碱性电池的进料中的Zn的影响。Al和Si将可能存在，并且通常是造成非常缓慢的过滤速率的原因。