[发明专利]从用过的可充电锂电池回收材料的方法

说明书

本发明描述了一种用于从储能装置(例如用过的可再充电锂电池，尤其是使用镍基或含镍和钴的阴极材料的那些电池)回收有价值材料的方法。特别地，所提出的方法应用羰基技术(也称为气化冶金)来再生纯材料，所述纯材料可再次用作制备新锂电池的活性阴极材料的原材料。

通过引用并入任何优先权申请

根据37 CFR 1.57和条例4.18和20.6，在与本申请一起提交的申请数据表或请求中标识的外国或国内优先权要求的任何和所有申请通过引用并入本文，诸如于2020年12月23日提交的美国临时申请号63/130,196。

背景

技术领域

本发明涉及从用过的(spent)可再充电锂电池，特别是那些具有镍基阴极的电池回收有价值材料的方法。特别地，所提供的方法涉及再生基本上纯的材料，该材料可以在新的可再充电锂电池的活性阴极材料的生产中作为原材料再使用。

相关技术描述

可再充电锂电池由于它们的商业化已经在许多不同类型的装置和设备中用作能量存储部件。这些包括移动电话、便携式计算机、无线电动工具、混合和纯电动汽车等。近年来，尤其是随着电动车辆(EV)市场的快速增长，对高输出可再充电锂电池的需求急剧增加。

可再充电锂电池中的主要部件包括阳极、阴极和电解质。在其充电和放电循环期间，锂离子通过电解质在阳极和阴极活性材料之间往返。由于其有限的比容量、高生产成本和包括锂、镍和钴的昂贵原材料的使用，阴极活性材料通常是可再充电锂电池中最昂贵的部件。近年来，富镍高容量阴极材料在那些指定用于EV市场的电池中获得了市场份额。这一趋势预计将持续到下一个十年。考虑到EV市场中预期的显著增长以及因此对上述阴极材料的巨大需求，可再充电锂电池生产在未来可能受到关键元素(例如Ni、Co和Li)的全球供应短缺的限制，特别是在动荡的地缘政治局势下。因此，再循环用过的可再充电锂电池以回收这些关键元素中的任何一种或全部可有助于减轻对原材料的需求并保护电动车辆工业的供应链。此外，用过的可再充电锂电池被认为是一种环境和火灾隐患，为了维持庞大的EV市场，对其进行再循环和再加工是非常重要的。

可再充电锂电池的再循环和再生的研究和开发大部分都集中在酸浸技术上。通常，该方法涉及几个主要步骤，即：(a)使用过的电池放电；(b)拆卸电池并分离电池部件；(c)应用酸浸法浸滤所需金属，并用湿法冶金手段分离它们；以及(d)使用金属以传统的现有工业方法再生阴极材料，即金属共沉淀以产生前体，并与锂化合物煅烧以获得最终的阴极材料。通常在这样的酸方法中，使用硫酸与其他化学品(例如Na₂SO₅和Na₂SO₃)，以便在步骤(c)中浸出金属。之后，可以使用溶剂提取方法将不同的金属用有机萃取剂，如二-2-乙基己基磷酸(“P204”)和2-乙基己基磷酸单-2-乙基己基酯(“P507”)分离。然而，这是一种产生大量液体流出物的复杂方法，必须处理该流出物以使环境影响最小化。尽管用于金属分离的无溶剂提取步骤可以在该方法中进行，但这样的无溶剂方法通常只能应用于具有相同组成的用过的电池，并且再生的阴极材料的纯度在没有溶剂提取的情况下大大降低，因为金属分离步骤也被认为是纯化步骤。