[0003] 本公开大体上涉及废旧锂离子电池的回收利用领域，并且具体地涉及用于从废旧锂离子电池回收电极金属的系统和方法。

[0004] 随着包括汽车在内的电力设备的使用增加，对电池的使用持续增长。因此，随着时间的推移，废旧电池的数量也将增长。然而，用作电池的原材料的金属和其他自然资源的量是有限的。因此，为了继续生产更多的电池，将需要通过回收利用废旧电池来回收原材料。

[0005] 典型的锂离子电池包括：塑料，其形成电池的保护盖和电池的隔板的部分；阳极，其包括阳极金属(诸如铜)和黑色物质；阴极，其包括阴极金属(诸如铝)和黑色物质；以及黑色物质，其形成隔板的部分。除了锂之外，黑色物质通常还包括石墨以及几种有价值金属(诸如铁、钴、锰、镍、铜和铝)的氧化物，锂通常仅占电池重量的约1％。

[0006] 目前用于回收利用废旧锂电池的大多数技术均利用火法冶金工艺，诸如需要高温(例如，在从约500℃至约1400℃的范围内)的熔炼。因此，回收金属的成本远高于回收的金属的价格。另外，与例如湿法冶金工艺相比，回收的每种金属的量通常也较低。

[0007] 虽然湿法冶金工艺可以提供较高的产率和潜在较高纯度的回收金属，但这些工艺通常需要在相对较高的温度下(例如，在从约100℃至约400℃的范围内)长时间加热浸出溶剂化物。因此，此类工艺的能量需求仍然很高。另外，高温浸出溶剂化物的处理会造成某些危险，这进一步增加了此类工艺的成本。

[0008] 因此，当前用于回收利用废旧电池的技术相对于用于重新获得这些材料的技术来说并不具有成本效益。因此，需要用于从废旧电池回收材料的具有成本效益、低能耗、可持续和低碳足迹的技术。

[0018] 在以下详细描述中，阐述众多具体细节以提供对本主题技术的全面理解。应当理解，可以在没有这些具体细节中的一些具体细节的情况下实践本主题技术。在其他情况下，未详细示出熟知的结构和技术，以免使本主题技术模糊。

[0019] 此外，虽然本描述阐述了各种实施方案的具体细节，但是应当理解，该描述仅是例示性的并且不应以任何方式被解释为限制性的。另外，设想到虽然本公开的特定实施方案可以在某些类型的锂电池的回收利用的背景下公开或示出，但此类实施方案可以与所有类型的锂离子电池一起使用。此外，所属领域的技术人员可以想到的此类实施方案的各种应用及其修改也涵盖在本文所描述的大体概念内。

[0020] 典型的锂离子电池的阴极包括铝和黑色物质，该黑色物质主要包含石墨粉末和一种或多种有价值金属(诸如锂、钴、锰、镍、铁等)的盐。类似地，锂离子电池的典型阳极包括铜和黑色物质。

[0021] 图1示出了根据本公开的至少一些实施方案的用于回收利用废旧锂离子电池的设备100的示意图。在一些实施方案中，设备100包括破碎机102、清洁腔室104、一个或多个化学物质储存罐106、控制器108、一个或多个反应腔室(诸如，例如，分离腔室110、沉淀腔室112)、一个或多个清洁水箱114、一个或多个循环水箱116、和一个或多个泵120。

[0022] 在一些实施方案中，破碎机102被设计成将废旧锂离子电池(为了方便参考在本文中也称为“废旧电池”)的电芯破碎成尺寸在从约1mm至约5cm的范围内的碎片。在一些实施方案中，破碎机102可以包括腔室，该腔室可以被密封并排空以减少腔室中的氧气的量，从而防止废旧电池的碎片氧化。在一些实施方案中，可以使用惰性气体(诸如，例如，氮气或氩气)对腔室进行再加压。

[0023] 在一些实施方案中，清洁腔室104被设计成清洁从破碎机102获得的废旧电池的碎片。清洁碎片可以包括诸如，例如，用水(例如，蒸馏水)洗涤碎片、在水中时或在干燥已洗涤的碎片之后对碎片进行声波处理、干燥已洗涤和/或经声波处理的碎片等的过程。

[0024] 在一些实施方案中，可以在室温或升高的温度下执行清洁。在一些实施方案中，可以在大气压下的空气中执行清洁。替代性地或另外，可以在真空下和/或在惰性气氛中(诸如，例如，在存在氮气、氩气等的情况下)执行清洁。

[0025] 在一些实施方案中，清洁碎片可以包括将废旧电池的碎片分散在流体中，并且使用一种或多种过滤工艺(诸如，例如，使用一个或多个筛网，每个筛网具有不同的筛网尺寸)来过滤碎片。在一些实施方案中，筛网尺寸可以在从约50μm至约5mm的范围内。例如，过滤工艺可以包括通过具有约5mm的筛网尺寸的筛网依序过滤分散体，随后通过具有约1mm的筛网尺寸的筛网进行过滤，随后通过具有约500μm的筛网尺寸的筛网进行过滤，随后通过具有约50μm的筛网尺寸的筛网进行过滤。在一些实施方案中，可以省略这些步骤中的一个或多个步骤。替代性的或另外，可以在该工艺中添加一个或多个过滤步骤。

[0026] 在一些实施方案中，一个或多个储存罐106可以储存化学物质，诸如浸出化学物质、酸、中和溶液(例如，碱溶液、酸溶液、盐溶液等)、水和/或包括在回收利用过程中有用的一种或多种化学物质的其他专有溶液。

[0027] 在一些实施方案中，一个或多个储存罐106中的每一者可以连接到一个或多个反应腔室110、112。此外，储存罐与反应腔室之间的连接可以包括能够由控制器108控制的控制阀。控制器108被配置成经由控制阀(或其他机构)控制从储存罐106转移到反应腔室110、112的化学物质的量。例如，控制器108可以控制参数，诸如从储存罐转移到对应反应腔室的化学物质的体积和/或流速。

[0028] 在一些实施方案中，控制器108可以利用控制参数(诸如，例如，pH、温度、体积、浊度、密度和/或与给定反应腔室中的化学物质相关联的其他参数)来控制从储存罐转移到给定反应腔室的化学物质的体积、质量和/或流量。

[0029] 在一些实施方案中，控制器108可以例如通过控制递送到反应腔室或反应腔室内的材料的热量来控制反应腔室中的材料的温度。例如，在一些实施方案中，控制器108可以控制到联接到反应腔室的微波生成器的功率输出，以便控制递送到反应腔室中的材料的微波能量。控制器108可以基于诸如，例如，反应腔室中的材料的温度的参数来控制功率输出。

[0030] 在一些实施方案中，一个或多个反应腔室可以连接至清洁水箱114。在一些实施方案中，反应腔室与清洁水箱之间的连接可以由控制阀控制。类似于反应腔室与储存罐之间的连接，控制器108可以基于诸如pH、温度、体积、浊度、密度和/或与给定反应腔室中的化学物质相关的其他参数而经由控制阀控制从清洁水箱114转移到反应腔室的水的量。

[0031] 在一些实施方案中，一个或多个反应腔室进一步连接到再循环水箱116。当反应腔室中的反应完成时，移除在反应腔室中生成的、例如沉淀和/或分离的任何固体材料。可以例如通过过滤来移除固体材料。在一些实施方案中，使用例如中和溶液来中和剩余的化学物质，该中和溶液经由控制器对控制阀的控制而从对应的储存罐引入到反应腔室中。在一些实施方案中，例如通过过滤来移除由中和反应产生的任何沉淀物，并且将剩余的水转移到再循环水储存罐116。

[0032] 在一些实施方案中，可以通过一个或多个泵120来促进将材料转移到储存罐106、反应腔室110、112、清洁水箱114和/或再循环水箱116中的一者或多者。在一些实施方案中，一个或多个泵120联接到控制器108，该控制器可以控制一个或多个泵120以便控制被转移的材料的流速和/或体积。

[0033] 在本公开的一方面，可以利用合适的设备(诸如，例如，设备100)来回收利用废旧电池。具体地，在一些实施方案中，可以使用诸如设备100的设备从废旧电池回收电极金属，例如铝和/或铜。

[0034] 图2示出了根据本公开的至少一些实施方案的用于从废旧锂离子电池回收电极金属的方法200的流程图。方法200可以包括：在202处，将电极从破碎的锂离子电池分离。在204处，使所分离的电极部分与浸出溶剂接触以形成电极分散体。在206处，通过向电极分散体施加微波辐射而将电极分散体加热至从约50℃至约90℃的范围内的温度。在208处，经由受控施加微波辐射而将所加热的电极分散体的温度维持在从约50℃至约90℃的范围内持续约10秒至约5分钟的范围内的时段。在210处，过滤电极分散体以获得电极金属。

[0035] 在一些实施方案中，在202处，将电极部分从破碎的锂离子电池分离可以包括诸如，例如，经由一系列筛子分离破碎部分以分离不同尺寸的材料的步骤。例如，在一些实施方案中，分离可以包括利用合适的筛子来分离尺寸在从约0.5mm至约5mm的范围内的粗碎片，随后通过利用第二个合适的筛子来进一步分离尺寸在从约50μm至约0.5mm的范围内的细碎片。

[0036] 可以将分离的碎片(例如，粗碎片)引入反应腔室中，在反应腔室中，在204处，使粗碎片与浸出溶剂接触。在一些实施方案中，浸出溶剂可以包括酸，诸如，例如，硫酸、盐酸、草酸等。在一些实施方案中，浸出溶剂可以包括多于一种酸。在一些实施方案中，浸出溶剂可以进一步包括氧化剂，诸如，例如，过氧化氢或硝酸。在一些实施方案中，浸出溶剂酸的浓度可以在从约0.5N至约10N的范围内。在一些实施方案中，浸出溶剂可以具有约0的pH。在一些实施方案中，浸出溶剂的pH可以在从约0至约7.0的范围内。在一些实施方案中，将浸出溶剂从储存罐引入到反应腔室中。可以经由控制器来控制引入的浸出溶剂的量和速率。

[0037] 表1提供了根据一个实例的浸出溶剂中使用的各种材料的浓度。

[0038] 表1：根据实例的浸出溶剂的规格。

[0039]

[0040] 在将浸出溶剂引入到反应腔室时，例如使用搅拌器(可以由控制器控制，或者可以不由控制器控制)搅拌浸出溶剂和粗碎片，以形成电极分散体。

[0041] 然后，在206处，将微波辐射施加到电极分散体，以便将电极分散体加热至从约50℃至约90℃的范围内的温度。因此，在206处，可以将电极分散体加热至例如约50℃、约55℃、约60℃、约65℃、约70℃、约75℃、约80℃、约85℃、约90℃的温度，或者这些值中的任何两个值之间的任何温度。

[0042] 在一些实施方案中，微波辐射的施加由控制器控制，该控制器使用反应腔室中的温度(例如，使用联接到控制器的温度传感器确定)作为反馈参数。在一些实施方案中，控制器可以是比例‑积分‑微分(PID)控制器，但是在本公开的范围内设想了其他类型的控制器。

[0043] 另外，在一些实施方案中，在加热的同时搅拌反应腔室中的电极分散体。电极分散体的搅拌可以有助于通过电极分散体更均匀地分布通过施加微波辐射产生的热量。另外或替代性地，可以在加热过程期间通过施加例如超声波来对电极分散体进行声波处理。

[0044] 一旦电极分散体的温度达到期望值，便在208处继续施加微波辐射，以便将温度维持在期望值持续从约10秒至约5分钟的范围内的时段。例如，可以将电极分散体的温度维持在期望值持续约10秒、约15秒、约20秒、约25秒、约30秒、约35秒、约40秒、约45秒、约50秒、约55秒、约60秒、约70秒、约80秒、约90秒、约100秒、约120秒、约140秒、约160秒、约180秒、约
200秒、约220秒、约240秒、约260秒、约280秒、约300秒或这些值中的任何两个值之间的任何时间量。

[0045] 在一些实施方案中，使用控制器(诸如，例如，，与206中使用的相同的控制器)来控制208处微波辐射的持续施加。应当理解，持续施加微波辐射未必意指恒定地施加微波辐射。因此，在一些实施方案中，可以在208处以脉冲形式施加微波辐射。每个脉冲可以具有范围从约0.5秒至5秒或更长的脉冲宽度。微波脉冲可以具有或者可以不具有相同的峰值功率。因此，在一些实施方案中，微波辐射的连续施加可以包括微波辐射的脉冲波的施加以及控制参数，诸如，例如，脉冲宽度、脉冲的峰值功率、脉冲速率以及将微波辐射施加到电极分散体上的总时间量。

[0046] 另外，可以在208处使用超声波来搅拌电极分散体和/或对电极分散体进行超声处理，以便通过电极分散体更均匀地分散由于施加微波辐射而生成的热量。

[0047] 在将电极分散体的温度维持预定时间段之后，在210处过滤电极分散体。在一些实施方案中，在210处进行过滤之前可以将电极分散体冷却至室温。在一些实施方案中，过滤电极分散体可以包括使电极分散体通过一个或多个过滤器、筛网或筛子。在一些实施方案中，过滤器、筛网或筛子可以被设计或选择成使得能够分离具有不同尺寸的固体物质。例如，第一筛网、过滤器或筛子可以是分离尺寸大于约5mm的固体物质；第二筛网、过滤器或筛子可以分离尺寸在从约1mm至约5mm的范围内的固体物质；第三筛网、过滤器或筛子可以分离尺寸在从约0.5mm至约1mm的范围内的固体物质；第四筛网、过滤器或筛子可以分离尺寸在从约100μm至约500μm的范围内的固体物质；第五筛网、过滤器或筛子可以分离尺寸在从约10μm至约100μm的范围内的固体物质；第六筛网、过滤器或筛子可以分离尺寸在从约1μm至约10μm的范围内的固体物质；等等。

[0048] 在以使得电极部分的碎片具有从约0.5mm至约5mm的范围内的尺寸的方式破碎废旧电池的实施方案中，在210处进行的过滤可以有效地将清洁的电极金属碎片与包括黑色物质的其余固体物质分离。应当理解，来自黑色物质的有价值金属的盐溶解在浸出溶剂中，并且过滤过程移除了黑色物质的不可溶部分。因此，过滤过程之后获得的金属碎片可以是具有石墨粉末的纯金属。

[0049] 实施例

[0050] 分析了在不同类型的锂离子电池中存在的各种材料的含量。表2至表7提供了在不同类型的锂电池中在电池的不同部分中存在的各种材料的重量百分比。

[0051] 表2：锂钴氧化物(LCO)电池

[0052]

[0053] 表3：锂镍钴铝(LNCA)电池

[0054]

[0055]

[0056] 表4：活性阴极(NMC111)电池中镍锰钴各占1/3的比例

[0057]

[0058] 表5：活性阴极(NMC622)电池中镍锰钴各占60/20/20％的比例

[0059]

[0060]

[0061] 表6：活性阴极(NMC811)电池中镍锰钴各占80/10/10％的比例

[0062]

[0063] 表7：磷酸铁锂(LFP)电池

[0064]

[0065] 使用本文中所公开的方法回收利用100kg的LCO、LNCA、NMC622和LFP(贡献25wt％)电池以回收电极金属。

[0066] 表8提供了在该过程之后回收的电极金属的量。

[0067] 表8：沉淀之后回收的金属(盐)的量。

[0068]化合物 量(kg)
FePO4 13.53
Al(OH)3 3.34
O
CCO3 23.22
CuCO3 3.95
MnCO3 3.35
NiCO3 24.31
Li2CO3 38.7

[0069] 进一步的考虑

[0070] 在一些实施方案中，本文中的条款中的任一者可以从属于独立条款中的任一者或从属条款中的任一者。一方面，条款中的任一者(例如，从属条款或独立条款)可以与任何其他一个或多个条款(例如，从属条款或独立条款)组合。一方面，权利要求可以包括在条款、句子、短语或段落中列举的一些或全部词语(例如，步骤、操作、装置或组件)。一方面，权利要求可以包括一个或多个条款、句子、短语或段落中引用的一些或全部单词。一方面，可以删除条款、句子、短语或段落的每一者中的一些单词。一方面，可以将附加的单词或元素添加到条款、句子、短语或段落。一方面，可以在不利用本文中所描述的组件、元件、功能或操作中的一些的情况下实施本主题技术。一方面，可以利用附加组件、元件、功能或操作来实施本主题技术。

[0071] 例如，根据下面描述的各个方面来例示本主题技术。为了方便起见，本主题技术的各方面的各种实例被描述为编号的条款(1、2、3等)。这些作为实例提供并且不限制本主题技术。应注意，任何从属条款可以以任何组合进行组合，并置于相应的独立条款中，例如条款1或条款5。可以以类似的方式提出其他条款。

[0072] 条款1.一种从锂离子电池的电极获得金属的方法，该方法包括：将电极部分从破碎的Li离子电池分离；使浸出溶剂与所分离的电极部分接触以形成电极分散体；通过施加微波辐射而将电极分散体加热至从50℃至90℃的范围内的温度；通过进一步向所加热的电极分散体施加微波辐射而将电极分散体的温度维持在从50℃至90℃的范围内持续从10秒至5分钟的范围内的时段；以及过滤电极分散体以获得金属。

[0073] 条款2.根据条款1所述的方法，其中金属包括铝、铜和铁中的一者。

[0074] 条款3.根据条款1所述的方法，其中浸出溶剂包括硫酸。

[0075] 条款4.根据条款1所述的方法，其中浸出溶剂具有在从0至7.0的范围内的pH[0076] 条款5.根据条款1所述的方法，其中加热电极分散体进一步包括在施加微波辐射的同时搅拌电极分散体。

[0077] 条款6.根据条款1所述的方法，其中维持电极分散体的温度包括使用控制器来控制微波辐射的施加。

[0078] 条款7.根据条款1所述的方法，其中加热电极分散体包括将电极分散体加热至从60℃至80℃的范围内的温度。

[0079] 条款8.根据条款1所述的方法，其中维持温度包括将电极分散体的温度维持在从60℃至80℃的范围内持续从30秒至5分钟的范围内的时段。

[0080] 条款9.根据条款1所述的方法，其中电极部分包括电极金属和黑色物质，该黑色物质包含石墨和金属氧化物。

[0081] 条款10.根据条款9所述的方法，其中过滤电极分散体包括通过筛子来过滤电极分散体以获得石墨粉末。

[0082] 条款11.根据条款1所述的方法，其中加热电极分散体进一步包括在施加微波辐射的同时连续地搅拌电极分散体。

[0083] 条款12.根据条款1所述的方法，其中维持电极分散体的温度进一步包括在施加微波辐射的同时连续地搅拌电极分散体。

[0084] 条款13.一种用于回收利用废旧锂离子电池的系统，该系统包括：破碎机，其被配置成将废旧锂离子电池的电芯破碎成碎片；清洁腔室，其被配置成清洁该碎片；一个或多个储存罐，其被配置成储存化学物质；一个或多个反应腔室，其经由一个或多个泵和阀联接到一个或多个储存罐，该一个或多个反应腔室中的至少一个反应腔室联接到微波生成器，该微波生成器被配置成向该至少一个反应腔室中的反应物提供微波辐射；以及控制器。该控制器被配置成：控制一个或多个泵和/或一个或多个阀来调节从一个或多个储存罐转移到一个或多个反应腔室中的对应反应腔室的化学物质的转移速率和量，并且控制微波生成器来调节被提供给至少一个反应腔室的微波辐射的量，以将至少一个反应腔室中的反应物加热至预定范围内的温度，并且将反应物的温度维持在预定范围内持续预定时间段。被清洁的碎片设置在一个或多个反应腔室中的第一反应腔室中以与浸出溶剂接触，该第一反应腔室为联接到微波生成器的至少一个反应腔室之一。

[0085] 条款14.根据条款13所述的系统，其中一个或多个反应腔室中的至少一个反应腔室包括被配置成搅拌在其中的反应物的搅拌器。

[0086] 条款15.根据条款13所述的系统，其中破碎机包括被配置成维持处于真空下和/或具有惰性气氛的腔室。

[0087] 条款16.根据条款13所述的系统，其中浸出溶剂包括硫酸和氧化剂。

[0088] 条款17.根据条款13所述的系统其中所述预定温度范围为从50℃至90℃。

[0089] 条款18.根据条款13所述的系统，其中预定时间段在从10秒至5分钟的范围内。

[0090] 条款19.根据条款13所述的系统，其中浸出溶剂具有在从0至7.0的范围内的pH。

[0091] 条款20.根据条款13所述的系统，其中维持温度包括将电极分散体的温度维持在从60℃至80℃的范围内持续从30秒至5分钟的范围内的时段。

[0092] 提供先前描述以使所属领域的技术人员能够实践本文中所描述的各种配置。虽然已经参考各种附图和配置具体描述了本主题技术，但是应当理解，这些仅用于例示目的并且不应被视为限制本主题技术的范围。

[0093] 可以存在许多其他方式来实施本主题技术。在不脱离本主题技术的范围的情况下，可以通过与所示的那些功能和元件不同的方式来划分本文中所描述的各种功能和元件。对这些配置的各种修改对于所属领域的技术人员来说将是显而易见的，且本文中定义的一般原理可以适用于其他配置。因此，所属领域的普通技术人员可以在不脱离本主题技术的范围的情况下对本主题技术进行许多改变和修改。

[0094] 应当理解，在所公开的过程中的步骤的特定次序或层级是示例性方法的说明。基于设计偏好，应理解，可以重新布置过程中的步骤的特定次序或层级。一些步骤可以同时进行。随附的方法权利要求以示例次序呈现各个步骤的元件，且并不意味着限于所呈现的特定次序或层级。

[0095] 如本文所用的处于数量之前的术语“约”表示与该数量的差异。该差异可能是由制造公差引起的，或者可能是由于测量技术的差异造成的。在一些情况下，与所列值的差异可能高达10％。所属领域的普通技术人员将理解，特定量的差异可以是上下文相关的，并且因此，例如，微米或纳米尺度的尺寸的差异可以不同于米尺度的差异。

[0096] 如本文所使用的，在一系列项目之前的短语“至少一者”，以及用于分离任何项目的术语“和”或“或”，将列表作为一个整体而不是列表的每个成员(即，每个项目)进行修改。短语“至少一者”并不要求选择列出的每一项中的至少一项；确切来说，该短语允许包含任何一个项目中的至少一者，和/或这些项目的任何组合中的至少一者，和/或者每个项目中至少一者的含义。举例来说，短语“A、B和C中的至少一者”或“A、B或C中的至少一者”各自指的是仅A、仅B或仅C；A、B和C的任何组合；和/或A、B和C中的每一者中的至少一者。

[0097] 本公开中所使用的诸如“顶部”、“底部”、“前部”、“后部”等术语应当被理解为指代任意参考系，而不是指普通的重力参考系。因此，顶表面、底表面、前表面和后表面可以在重力参考系中向上、向下、对角地或水平地延伸。

[0098] 此外，就说明书或权利要求中使用的术语“包括”、“具有”等而言，此种术语旨在以与术语“包含”相似的方式是开放式的，这是由于“包含”在被使用时被解释成权利要求项中的过渡词。

[0099] 词语“示例性”在本文中用于意指“充当实例、例子或说明”。本文中描述为“示例性”的任何实施方案未必解释为比其他实施方案优选或有利。

[0100] 除非明确地陈述，否则以单数形式提及元素并不旨在意指“一个(种)和仅一个(种)”，而是“一个(种)或多个(种)”。关于男性的代词(例如，他的)包含女性和中性(例如，她的和它的)，并且反之亦然。术语“一些”是指一个或多个。带下划线和/或斜体的标题和副标题仅是为了方便而使用，并不限制本主题技术，并且不结合对本主题技术的描述的解释而引用。所述领域的普通技术人员已知或日后将知晓的贯穿本公开而描述的各个配置的元件的所有结构和功能等同物以引用的方式明确地并入本文中，并且旨在由本主题技术涵盖。此外，本文所公开的任何内容均不希望奉献给公众，无论以上说明中是否明确地陈述此公开。