废旧磷酸铁锂电池放电装置、放电方法及应用与流程

1.本发明涉及废旧电池处理技术领域，具体涉及一种废旧磷酸铁锂电池放电装置、放电方法及应用。


背景技术：

2.磷酸铁锂电池是一种使用磷酸铁锂(lifepo4)作为正极材料，碳作为负极材料的锂离子电池，磷酸铁锂电池的充放电反应是在lifepo4和fepo4两相之间进行。在充电过程中，lifepo4逐渐脱离出锂离子形成fepo4，在放电过程中，锂离子嵌入fepo4形成lifepo4。磷酸铁锂电池具有工作电压高、能量密度大、循环寿命长、安全性能好、自放电率小、无记忆效应等优点。随着新能源汽车的高速发展，磷酸铁锂电池得到了越来越广泛的应用。由于磷酸铁锂电池含有大量的金属锂，对报废的磷酸铁锂电池进行回收不仅能够减轻废旧电池对环境的污染，而且还能够带来一定的经济效益。传统的废旧磷酸铁锂电池回收方法一般将废旧的磷酸铁锂电池放电拆解、破碎后，通过高温焚烧正极片碎料以除去有机粘结剂，使得正极活性材料从铝箔上分离，分离后得到正极活性粉体。然后采用硫酸溶解正极活性粉体，通过除杂、分选后分别得到铁盐、锂盐等，完成铁、锂等元素的回收。
3.其中，传统的废旧的磷酸铁锂电池的放电方法通过将废旧的磷酸铁锂电池浸泡在电解质溶液中进行放电。这种方法通常难以对废旧磷酸铁锂电池的剩余电量进行测量。此外，还通过采用液氮对废旧磷酸铁锂电池进行低温处理后强制穿孔放电，但这种方法对设备要求高、处理成本高。短路放电法是目前研究较多的废旧磷酸铁锂电池放电方法，但由于检测放电程度时需要人为取样，取放单个电池，操作的危险系数较高，且检测放电程度的效率及准确性均较低。


技术实现要素：

4.基于此，有必要提供一种安全性较高、便于检测放电程度的废旧磷酸铁锂电池放电装置、放电方法及应用。
5.本发明的一个方面，提供了一种废旧磷酸铁锂电池放电装置，包括：
6.金属壳体，所述金属壳体用于置放废旧磷酸铁锂电池模块；
7.导电粉体，所述导电粉体设于所述金属壳体中，以使所述导电粉体包裹所述废旧磷酸铁锂电池模块，且与所述废旧磷酸铁锂电池模块和所述金属壳体连接；
8.绝缘组件，所述绝缘组件连接于所述金属壳体外表面；及
9.测试电路模块，所述测试电路组件与所述金属壳体连接。
10.在其中一些实施例中，所述测试电路模块包括：
11.运算放大器；
12.保护电阻，所述保护电阻的一端与所述金属壳体连接，所述保护电阻的另一端与所述运算放大器的反向输入端连接；
13.反馈电阻，所述反馈电阻的一端与所述运算放大器的反向输入端连接，所述反馈
电阻的另一端与所述运算放大器的输出端连接；
14.平衡电阻，所述平衡电阻的一端与运算放大器的正向输入端连接，所述平衡电阻的另一端接地；及
15.示波器，所述示波器与所述运算放大器的输出端连接，用于记录所述运算放大器的输出端的电压。
16.在其中一些实施例中，所述测试电路模块还包括：
17.接线端子，所述接线端子设于所述保护电阻与所述金属壳体之间，用于连接所述测试电路模块的组件与所述金属壳体；及
18.开关，所述开关设置在所述接线端子及所述保护电阻之间，用于控制所述测试电路的状态。
19.在其中一些实施例中，所述导电粉体选自铜粉及石墨中的至少一种。
20.在其中一些实施例中，所述绝缘组件的材料为聚四氟乙烯。
21.本发明的另一方面，还提供了一种废旧磷酸铁锂电池放电方法，包括以下步骤：
22.将废旧磷酸铁锂电池模块设于上述的废旧磷酸铁锂电池放电装置中，使所述废旧磷酸铁锂电池模块被所述导电粉体包裹，开启所述测试电路模块进行短路放电。
23.在其中一些实施例中，所述短路放电步骤中，所述废旧磷酸铁锂电池模块的温度为25℃～60℃。
24.在其中一些实施例中，所述废旧磷酸铁锂电池放电方法还包括：检测放电深度的步骤；
25.其中，所述检测放电深度的步骤包括：
26.获取所述金属壳体的泄漏电流及所述测试电路的输出电压；
27.根据式i判断放电深度：
[0028][0029]
其中，式i代表废旧磷酸铁锂电池自身的放电电流与放电时间的关系；id(t) 代表放电电流曲线，即泄漏电流与放电时间的函数；c0代表废旧磷酸铁锂电池的几何电容；u0代表所述测试电路的初始输出电压；σ代表导电粉体的电导率；ε0为真空介电常数；f(t)代表废旧磷酸铁锂电池的响应函数。
[0030]
在其中一些实施例中，所述测试电路模块的输出电压为运算放大器输出端的电压；
[0031]
所述泄漏电流通过式ii计算得到：
[0032]
id＝u0/rfꢀꢀꢀ
式ii；
[0033]
其中，rf代表反馈电阻的电阻。
[0034]
本发明的另一方面，还提供了上述的废旧磷酸铁锂电池放电装置在回收废旧磷酸铁锂电池中的应用。
[0035]
上述废旧磷酸铁锂电池放电装置包括：金属壳体、导电粉体、绝缘组件及接线端子，导电粉体充满金属壳体中，在对废旧磷酸铁锂电池放电时，将废旧磷酸铁锂电池模块放置于金属壳体中，使废旧磷酸铁锂电池模块埋没在导电粉体中，即可对废旧磷酸铁锂电池
进行放电。由于金属壳体外表面连接有接线端子，可用于连接测试电路，能够在放电过程中实时反映放电深度，无需人为进行抽样检测电池的放电深度，因此安全性更高，且能够实时反映整个电池模块的放电情况，检测效率及准确性更高。
附图说明
[0036]
图1为本发明一实施方式的废旧磷酸铁锂电池放电装置的结构示意图；
[0037]
图2为本发明一实施例中废旧磷酸铁锂电池的放电容量及内阻随温度的变化曲线；
[0038]
图3为本发明一实施例中废旧磷酸铁锂电池物理放电过程的三个阶段；
[0039]
图4为本发明一实施例中废旧磷酸铁锂电池在不同温度下的放电电流曲线；其中，由下至上分别为60℃、80℃、100℃、120℃及140℃下的放电电流曲线；
[0040]
附图标记：110、金属壳体；120、导电粉体；130、绝缘组件；200、测试电路模块；210、运算放大器；220、保护电阻；230、反馈电阻；240、平衡电阻；250、示波器；260、接线端子；270、开关。
具体实施方式
[0041]
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0042]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0043]
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
[0044]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0045]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具
体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0046]
参阅图1，本发明一实施方式，提供了一种废旧磷酸铁锂电池放电装置，包括：金属壳体110、导电粉体120、绝缘组件130及测试电路模块200。
[0047]
金属壳体110用于置放废旧磷酸铁锂电池，且导电粉体120设于金属壳体 110中，优选地充满置放有废旧磷酸铁锂电池的金属壳体110，以连接废旧磷酸铁锂电池和金属壳体110。进一步地，导电粉体120完全包裹废旧磷酸铁锂电池。在其中一些实施例中，导电粉体120选自铜粉及石墨中的至少一种。铜粉及石墨均具有良好的导电性能，包裹在废旧磷酸铁锂电池模块的周围能够使得废旧磷酸铁锂电池模块短路，进而放电。
[0048]
绝缘组件130连接于金属壳体110外表面，用于使金属壳体110与大地形成电气绝缘。并且绝缘组件130还用于将金属壳体110固定。在其中一些实施例中，绝缘组件130的材料为聚四氟乙烯，聚四氟乙烯具有优良的绝缘性能，此外还具有耐热性、耐寒性、抗酸碱性等特点，用作绝缘组件130材料可提升放电装置的安全性。
[0049]
测试电路模块200与金属壳体110连接，用于监测放电过程。
[0050]
上述废旧磷酸铁锂电池放电装置包括：金属壳体110、导电粉体120及绝缘组件130导电粉体120充满金属壳体110中，在对废旧磷酸铁锂电池放电时，将废旧磷酸铁锂电池模块置放于金属壳体110中，使废旧磷酸铁锂电池模块埋没在导电粉体120中，导电粉体120起到连接废旧磷酸铁锂电池模块正负极，以及连接废旧磷酸铁锂电池模块与金属壳体110的作用，即可对废旧磷酸铁锂电池进行放电。由于金属壳体110连接测试电路模块200，能够在放电过程中实时反映放电深度，无需人为进行抽样检测电池的放电深度，因此安全性更高，且能够实时反映整个电池模块的放电情况，检测效率及准确性更高。
[0051]
再次参阅图1，在其中一些实施例中，测试电路模块200包括：运算放大器 210、保护电阻220、反馈电阻230、平衡电阻240、示波器250、接线端子260 及开关270。
[0052]
运算放大器210用于放大废旧磷酸铁锂电池模块的放电信号。
[0053]
保护电阻220的一端与接线端子260连接，保护电阻220的另一端与运算放大器210的反向输入端连接。保护电阻220用于保护测试电路，避免通过电流过大。
[0054]
反馈电阻230的一端与运算放大器210的反向输入端连接，反馈电阻230 的另一端与运算放大器210的输出端连接。
[0055]
平衡电阻240的一端与运算放大器210的正向输入端连接，平衡电阻240 的另一端接地。平衡电阻240用于避免运算放大器210的泄漏电路带来的检测误差。
[0056]
示波器250与运算放大器210的输出端连接，用于记录运算放大器210的输出端的电压。
[0057]
接线端子260设于保护电阻220及金属壳体110之间，用于连接金属壳体 110和测试电路模块200的组件。
[0058]
开关270设置在接线端子260及保护电阻220之间，用于控制测试电路的状态。
[0059]
在其中一些实施例中，保护电阻220的电阻值为1mω。保护电阻220的电阻值高，因而能够避免通过测试电路的电流过大。
[0060]
在其中一些实施例中，平衡电阻240的电阻值为1mω。通过高电阻值的平衡电阻240能够避免运算放大器210的泄漏电流导致测量误差。
[0061]
本发明另一实施方式，还提供了一种废旧磷酸铁锂电池放电方法，包括以下步骤：
[0062]
将废旧磷酸铁锂电池模块设置于废旧磷酸铁锂电池放电装置的金属壳体 110中，使废旧磷酸铁锂电池模块被导电粉体120包裹，开启测试电路模块200 进行短路放电。如此废旧磷酸铁锂电池模块的正负极通过导电粉体120连接，发生短路放电。
[0063]
上述废旧磷酸铁锂电池放电方法中，导电粉体120包裹废旧磷酸铁锂电池模块，充满金属壳体110中，在对废旧磷酸铁锂电池放电时，将废旧磷酸铁锂电池模块放置于金属壳体110中，使废旧磷酸铁锂电池模块埋没在导电粉体120 中，即可对废旧磷酸铁锂电池进行放电。由于金属壳体110连接测试电路模块 200，能够在放电过程中实时反映放电深度，无需人为进行抽样检测电池的放电深度，因此安全性更高，且能够实时反映整个电池模块的放电情况，检测效率及准确性更高。
[0064]
在其中一些实施例中，短路放电步骤中，废旧磷酸铁锂电池模块的温度为25℃～60℃。
[0065]
温度对放电性能的影响会直接反映到放电容量和放电电压上。温度降低，电池内阻加大，电化学反应速度放慢，极化内阻迅速增加，电池放电容量和放电平台下降，影响电池功率和能量的输出。以80a
·
h的镍氢电池放电为例，常温下将电动汽车电池充满电，在不同温度下以1c电流放电。在-20℃，放电容量比较低，在20℃时，放电容量最大，再随着温度升高，放电容量降低，但中高温的放电容量明显比低温时放电容量大，说明中高温放电性能强于低温放电性能。这是因为温度高，有利于合金中氢原子的扩散，提高了合金动力学性能，同时电解液的导电率随温度升高而增加，在高温下电解质导电率大，电流迁移能力强，迁移内阻减小，电流充放电性能增强。
[0066]
参阅图2，申请人研究了磷酸铁锂电池的放电情况，可以看出，对于磷酸铁锂电池，同样在低温条件下放电容量急剧下降，但在高温情况下放电容量并不比常温低，甚至可能略高于常温下的放电容量，这主要是高温情况下锂离子的迁移速度加快，锂电极不像镍电极和贮氢电极那样在高温情况下分解或者产生氢气而使容量下降。磷酸铁锂电池模块低温放电时，随着放电的进行，由于电阻等原因产生热量，使电池温度升高，表现为电压有抬升现象，随着放电的进行，电压再逐渐下降。
[0067]
磷酸铁锂电池的放电过程主要有三个阶段。泄漏电路大小和放电深度密切相关。在充满导电粉体120的金属壳体110中，泄漏电流的产生是电池未放电时整体对外为非电中性所导致的。如果绝缘组件130的绝缘电阻不随电压变化，则由金属壳体110对大地的泄漏电流则可间接反映电池放电程度，但不会导致放电速率的减小或终止。参阅图3为废旧磷酸铁锂电池物理放电过程的三个阶段。具体地磷酸铁锂电池的放电过程分为中速放电区、快速放电区及缓慢放电区三个阶段。
[0068]
中速放电区：绝缘组件130的绝缘电阻具有显著的电压依赖性——电压越大，绝缘组件130的绝缘电压越小，绝缘组件130泄漏电流分流占比显著增加。因此，整个放电过程中的泄漏电流呈现先中速下降的特征，此时电压较大，绝缘组件130的泄漏电流使得总的泄漏电流减小。
[0069]
快速放电区：随着放电程度的加深，金属壳体110整体对地电压减小，绝缘组件130的泄漏电流减小，此时整个金属壳体110对地的泄漏电流主要流经反馈电阻230，此时为快速放电区。同时由于此时电池放电进行到一定程度，金属壳体110内温度升高，电极内反应
加速。
[0070]
缓慢放电区：随着金属壳体110内电池放电程度的加深并即将完成，金属壳体110整体趋向电中性，对地电压减小，泄漏电流减小。
[0071]
在其中一些实施例中，废旧磷酸铁锂电池放电方法还包括：检测放电深度的步骤。
[0072]
具体地，检测放电深度的步骤包括：
[0073]
获取金属壳体110的泄漏电流及测试电路的输出电压。
[0074]
然后，根据式i判断放电深度：
[0075][0076]
其中，式i代表废旧磷酸铁锂电池自身的放电电流与放电时间的关系；id代表泄漏电流，id(t)代表放电电流与放电时间的函数；c0代表废旧磷酸铁锂电池的几何电容；u0代表测试电路的初始输出电压；σ代表导电粉体120的电导率；ε0为真空介电常数；f(t)代表废旧磷酸铁锂电池的响应函数，是电池的固有属性。
[0077]
在其中一些实施例中，测试电路模块200的输出电压为运算放大器210输出端的电压，通过示波器250记录。
[0078]
在其中一些实施例中，泄漏电流通过式ii计算得到：
[0079]
id＝u0/rfꢀꢀꢀ
式ii；
[0080]
其中，rf代表反馈电阻230的电阻。
[0081]
在其中一些实施例中，为了简化放电深度的判断，可采用id(t)曲线阈值进行放电深度的判断。当一定时间内，某平均温度的电流值下降至阈值，则视为放电已接近尾声。根据放电温度的不同，id(t)曲线阈值也有差异。
[0082]
参阅图4，为废旧磷酸铁锂电池在不同温度下的放电电流曲线，当电流值下降至图中虚线以下，则认为放电已接近尾声。
[0083]
一实施方式中，废旧磷酸铁锂电池放电方法步骤如下：
[0084]
步骤s100：将废旧磷酸铁锂电池放置于金属壳体110中，使导电粉体120 包裹废旧磷酸铁锂电池。
[0085]
步骤s200：打开开关270，使测试电路连通，同时开启示波器250。
[0086]
步骤s300：在打开开关270 1秒后，记录运算放大器210输出端的电压，并计算得到泄漏电流。考虑到在打开开关270过程中的操作过电压，因此只记录打开开关270 1秒之后的运算放大器210输出端电压。
[0087]
步骤s400：根据步骤s300计算得到的泄漏电流，得到放电电流随时间变化的放电电流曲线。
[0088]
步骤s500：根据测定温度下的电流曲线阈值，判断废旧磷酸铁锂电池的放电深度。
[0089]
本发明另一实施方式，还提供了上述的废旧磷酸铁锂电池放电装置在回收废旧磷酸铁锂电池中的应用。
[0090]
本发明一实施方式，还提供了一种废旧磷酸铁锂电池的回收方法，采用上述的废旧磷酸铁锂电池放电装置对废旧磷酸铁锂电池放电至0v。
[0091]
上述废旧磷酸铁锂电池的回收方法，采用废旧磷酸铁锂电池放电装置对废旧电池
放电，操作安全性高，且便于监测放电程度。
[0092]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0093]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，便于具体和详细地理解本发明的技术方案，但并不能因此而理解为对发明专利保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。应当理解，本领域技术人员在本发明提供的技术方案的基础上，通过合乎逻辑的分析、推理或者有限的试验得到的技术方案，均在本发明所述附权利要求的保护范围内。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求的内容为准，说明书及附图可以用于解释权利要求的内容。