废电池及废料中资源再生提炼钴配置锂二次电池材料

摘要：锂二次电池材料高价钴资源再利用研究是针对废电池、电池厂废料（正极板）中再生钴合成电池之粉体材料，并且导入粉体放大技术提升电池材料质量之研究，其主要探讨从废电池处理、提炼之合成，推至未来相关性运用及未来市场上电池材料之重要性与发展，降低国内电池开发的成本，并希望将来能运用及推广至国际市场。
关键词:锂离子电池、正极材料、粉体制程、资源回收、锂钴氧
壹、前言
随着社会科技之进步发展，对于高电容量、高能量密度储存设备有大量的需求，虽然业界在正极材料与制程技术上有显着的改进，但是国际间逐渐重视资源再生再利用和环境的永续发展，因此，可再充放电锂电池概念的发展显得相当重要。
锂二次电池主要包括[1]，锂离子电池及锂聚合物电池。目前锂二次电池已经被大量应用于笔记型计算机、行动电话、PDA、摄录像机、数位相机、迷你光驱、蓝芽耳机等可携式电子产品上、工具机、不断电系统、民生电子产品、电动机车及电动自行车的电池，都以锂离子二次电池为研发基础。锂电池的电极材料包括正极与负极材料，其中正极材料（LiCoO2）占所有锂二次电池之材料成本比例为最高。在以原料资源取得为前题下，常以过渡金属氧化物经由Li+/Li的活跃性质制成高电压的正极材料，因此，Li是最具有吸引力的元素，而Li在此结构中则是扮演嵌入及嵌出的角色。锂二次电池结构除了Li元素外，到目前为止以下列元素或化合物，如：钴（Co）、镍（Ni）、锰（Mn）及此三元素（CoxMn1-x；CoxNi1-x；CoxMnyNi1-x-y）之化合物做为电池主体材料，其中最引人注目为钴（Co）系列最受学术界及市场欢迎（表一电池正极材料特性参考修改[1]），而钴（Co）也是影响电池性能中最关键的成本材料，其主要原因在于钴（Co）的价格。
表一锂离子正极材料特性 

在现今注重永续经营及环境管理的国际竞争社会中，为提倡及推动环境保护及资源管理，以达成永续发展之目的，本文除了讨论如何将废电池、电池厂之废料有效处理再利用之外，并将再探讨如何提升粉体品质。在国内各种不同的产业，如：水泥制造业、陶瓷工业、金属粉末冶金、电子厂、食品业、涂料业、化妆品业、塑料业、射出成形及化学工业等产业中，为因应社会所需，将传统粉体研发过程所得之成果，成功地导入工业生产。
贰、典型之锂电池问题与处理方法
锂二次电池使用后，及电池厂废料产生之废弃物，在环境上即产生污染，也会影响到人类生命安全。而利用锂电池回收处理方法，可将高价之金属元素回收，再配制电池材料，达到资源再利用原则。
2.1废旧电池污染的过程：
当电池到达一定的寿命后，其电池在环境中会造成之污染如下[2]：
（1）电池→丢弃在自然界中→外层腐蚀→电解液溢出→进入土壤或地下→进入农作物或饮用水→损伤人体肾脏。 （2）电池分解有害物→进入鱼体内→人食用后→神经系统受到严重破坏。
2.2锂电池的回收与处理
在锂二次电池回收再生处理的方式主要可分为：干式电池处理法、湿式电池处理法两种[1]。
（1）干式电池处理法
干式法是将锂电池，以高温进行烧结后回收，处理的主要流程如图一所示。
废弃的锂电池由回收站收集后，依电池的种类与大小，进行分类。而分类的锂电池可能有未完全放电，所以处理时必须做放电的程序，以避免因外力与热解而产生燃烧或爆炸的危险。经放电处理后的废电池，再进行去壳与切割的动作，此动作可分散烧结处理时，所产生之剧烈反应，进而发生危险。
在经烧结炉处理过程中，在700~900℃藉由熔点与比重的差异，分别将Co、Ni、Fe、Al等金属回收。至于锂金属，则是以Li2O的气体形式逸出，然后再与H2O、Na2CO3反应形成Li2CO3予以回收。 

图一干式电池处理法[修改自电池信息网]
（2）湿式电池处理法
湿式法主要是以无机酸溶液，将废电池中欲回收之成分进行萃取，再予以纯化回收。如同干式法一样，在进行废电池处理时，亦必须将电池保持在隔绝水分与空气的环境中进行，主要流程如图二。
废弃的锂电池经过放电处理及电池去壳与切割程序后，将电池碎片放进吸收室再以无机酸溶液喷淋，然后将锂电池所含的电解液及锂金属成分予以萃取吸收，在分别进行纯化后供再生使用。而其余的残渣部分则依各种金属的特性不同进行分离，纯化后供再生使用。 

图二湿式电池处理法[修改自电池信息网]
2.3钴（Co）资源再利用
在生产锂二次电池之成本考虑上，由于钴的价格是影响电池性能中最关键的成本材料，可经由上述废电池资源再生处理方式[3]，提炼金属元素钴，并有效的导入工业生产，降低锂二次电池之生产成本，其流程如图三所示（资源再利用流程图）。然而因用途不同，钴之提炼方法也不进相同，以锂正极材料制程如图四（锂钴氧制程流程图），提供电池厂正极原料，以达资源不浪费。