退役动力锂离子电池检测及回收技术研究

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为了缓解环境污染和能源短缺的问题,很多国家开始大力推广电动汽车的使用,但是从电动汽车上退役下来的动力锂离子电池如果得不到妥善处理,将会造成更加严重的环境污染和资源浪费等问题。通过梯次利用的方式可以延长动力锂离子电池的使用寿命,有助于推动电动汽车行业的健康发展,对于无法满足梯次利用要求的电池,可以通过资源化回收的方式回收其中的金属,以最大程度地发挥锂离子电池全生命周期的价值。本文针对退役动力锂离子电池筛选重组时面临的检测速度慢、准确度低以及回收利用时面临的流程复杂、成本高等问题,主要进行了以下研究:(1)采用文献调研的方式,详细研究了动力锂离子电池的工作原理和老化机理;通过加速老化实验研究了动力锂离子电池老化过程中容量、放电电压曲线和ICA曲线的变化规律。针对退役动力锂离子电池的特点,利用相关系数法研究了等压降放电时间和电池SOH的相关性,并运用粒子群算法对等压降放电时间对应的电压区间进行了优化。结果表明当以1C电流恒流放电时,电压从3.418V降低到3.368V的时间与电池SOH的线性相关性达到了0.96;利用最小二乘法拟合出了放电时间与SOH的关系式,通过不同电池单体以及不同老化状态的实验数据对结果进行验证,误差都小于5%,具有很高的准确度和普适性。由于在对电池进行检测时不需要将电量完全放完或者完全充满,因此可以大大节省检测时间。(2)以等压降放电时间作为健康因子,设计锂离子电池健康状态检测系统。完成硬件电路设计,实现充放电控制、电压和电流信息采集、串口通讯和故障保护等功能;编写下位机检测软件,完成电池信息采集、串口通讯等功能;编写基于Labview的上位机操作软件,完成用户登录、串口通讯、数据管理和报表打印等功能。最终的结果显示电压检测精度高于99.99%,容量估算精度高于95%,大大提高了退役电池的检测效率和准确度。(3)以二水合草酸和氯化胆碱为原料合成低共熔溶剂,溶解购买的电池级LiFePO4粉末,系统研究加热温度、固液比和反应时间对溶解率的影响,结果表明当温度为110℃、固液比为0.02、时间为2h时,锂和铁的浸出率最高,分别为99.3%和85.8%。又通过响应面试验法对回收条件进行了分析和优化,优化结果表明当温度、固液比和时间分别为106℃、0.02、1.85h时,锂和铁的浸出率最高。为了验证优化结果的准确性,拆解、分离退役动力离子电池得到废旧LiFePO4正极活性物质,在该条件下进行实验,得到的锂和铁的浸出率分别为95.3%和85.2%。在回收过程中避免了强酸、强碱和高温处理等流程,大大降低了对环境的二次污染,并降低了回收成本。(4)将浸出液用去离子水稀释10倍后,利用Fe(C2O4)33-的光化学活性,在紫外灯下照射稀释液8小时,得到淡黄色沉淀,通过XRD、红外光谱和热重分析等手段分析可知该沉淀为FeC2O4·2H2O。去除铁离子后,将稀释液加热蒸发掉大部分水,加入NaOH溶液调节pH值大约为7,得到了Li3PO4沉淀。回收产物可以再次制备锂离子电池,有利于推动电池行业的健康发展。
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