一种废旧锂离子电池放电与产氢一体化系统的制作方法

1.本实用新型属于废旧电池回收领域，涉及一种废旧锂离子电池放电与产氢一体化系统。


背景技术：

2.伴随电池使用量的增加，退役电池的数量急剧上升。由于退役电池的正负极材料、电解液和其他物质会造成一定程度上的环境污染问题，同时退役电池中仍含有一定的有价金属，所以废旧电池必须要回收。由于废旧电池通常含有一定的剩余电量，在传统回收工艺中首先需要进行放电处理。目前放电工艺为盐水放电，而这种方式不仅产生大量高盐放电废水，同时浪费了电池中的剩余能量。应当采用一定的手段将代替盐水放电工艺，且实现电池余能进行高值化利用。
3.氢能是新能源之一，是应新时代能源发展的一种绿色能源，开发和存储氢气技术是发展绿氢的关键。电解水制氢简单、无污染是应用较广且比较成熟的方法，但其较大的耗电量限制了该方法的进一步应用。电解水制氢耗电量大的问题有待解决。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的不足，本实用新型的目在于提供一种安全环保，能源回收效率高的废旧锂离子电池放电与产氢一体化系统，解决了电池在传统放电过程中废水排放与能源浪费和电解水产氢方法中能耗大的问题。
5.为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案予以实现：
6.一种废旧锂离子电池放电与产氢一体化系统，包括电源、电解池、控制器、电池外观检测装置和电池充放电性能测试装置；
7.所述电源是经过筛选得到的多个废旧锂离子电池单体组装而成，电源与电解池连接为电解池提供电解反应所需的电能，电池外观检测装置和电池充放电性能测试装置分别用于检测电池外观形貌和电压，控制器与电源、电池外观检测装置和电池充放电性能测试装置连接通过判断电池状态控制电解池工作；
8.所述电解池分别连接用于收集电解所得氢气和氧气的氢气储存罐和氧气储存罐，氢气储存罐和氧气储存罐与电解池连接的管路上分别设置有氢气纯化装置和氧气纯化装置。
9.进一步，所述氢气储存罐和氧气储存罐上分别安装有氢气压力传感器和氧气压力传感器，氢气压力传感器和氧气压力传感器均与控制器相连。
10.进一步，所述氢气纯化装置和氧气纯化装置均包括冷却装置和气液分离装置。
11.进一步，所述氢气储存罐和氧气储存罐分别安装有氧气压力调节器和氢气压力调节器，通过氧气压力调节器和氢气压力调节器连接有氧气和氢气输出管路。
12.进一步，所述电解池包括阴极室和阳极室，阴极室和阳极室以陶瓷隔膜分隔开。
13.进一步，所述陶瓷隔膜包括支撑体，在支撑体上开设有锂离子通道。
14.本实用新型具有以下有益效果：
15.本实用新型的废旧锂离子电池放电与产氢一体化系统，包括多个废旧锂离子电池单体组装的电源、电解池、控制器、电池外观检测装置和电池充放电性能测试装置，电源与电解池连接为电解池提供电解反应所需的电能，通过电解水产氢工艺将退役电池的剩余电量有效利用起来，经过充分放电后的退役电池可以直接进入回收的拆解步骤，既利用了剩余电能又省去了放电步骤。
16.传统水电解制氢工艺所需电压通常在1.8～2.0v，最低的驱动力为1.23v，本实用新型中电解池的阴极室和阳极室以陶瓷隔膜分隔开，碱
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酸混合电解系统通过陶瓷锂离子交换膜成功地将碱性电解质溶液中的低oer电位和酸性电解质溶液中的高her电位结合起来。使得所需最低电压低于理论值，本实用新型水电解制氢技术降低了所需驱动力，能够在最低电压0.78v的驱动力下正常运行，很大程度上降低了电能消耗。电解池分别连接用于收集电解所得氢气和氧气的氢气储存罐和氧气储存罐，能够在电解水的过程中避免氢气和氧气混合，为后续工艺提供便于纯化的气体，提高系统运行的稳定性。
17.配备有电池外观检测装置和电池充放电性能测试装置，分别用于检测电池外观形貌和电压，工作之前先对废旧电池进行外观和性能检测，根据检测结果筛选合适的电池作为电解池的电源，设置控制器，控制器与电源、电池外观检测装置和电池充放电性能测试装置连接通过判断电池状态控制电解池工作，保证电解反应正常、高效的工作。
附图说明
18.图1为本实用新型的系统结构示意图；
19.图2为本实用新型中电解池的工作原理图；
20.图3为电解池中陶瓷锂离子交换膜的结构示意图；
21.图中：1
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电源；2
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电解池；3
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氢气纯化装置；4
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氧气纯化装置；5
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氢气储存罐； 6
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氧气储存罐；7
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氢气压力传感器；8
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氧气压力传感器；9
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氢气压力调节器；10
‑ꢀ
氧气压力调节器；11
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控制器；12
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电池外观检测装置；13
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电池充放电性能测试装置；14
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陶瓷隔膜；15
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阴极室；16
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阳极室；17
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锂离子通道；18
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支撑体；a
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氢气压力传感器信号；b
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氧气压力传感器信号；c
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电源控制信号；d
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电源压力信号；e
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电池外观数据信号；f
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电池充放电性能数据信号。
具体实施方式
22.以下结合实施例对本实用新型的具体内容做进一步详细解释说明。
23.如图1所示，本实用新型的废旧锂离子电池放电与产氢一体化系统包括电源 1、电解池2、氢气纯化装置3、氧气纯化装置4、氢气储存罐5、氧气储存罐6、氢气压力传感器7、氧气压力传感器8、氢气压力调节器9、氧气压力调节器10、控制器11、电池外观检测装置12和电池充放电性能测试装置13。
24.电池外观检测装置12包括工业相机，工作时将废旧电池逐一置于传送带上，电池通过扫描仪时采用工业相机采集电池外观数据，数据传送至计算机处理。经过剔除后的剩余电池传送至电池充放电性能测试装置13检测到多种数据，由计算机处理和显示。
25.将退役电池进行检测筛选获得一致性良好的电池组合，经筛选的电池组装成集成
电源与电解池相连，所述电解池将析出的氢气和氧气分别输送至氢气纯化装置3和氧气纯化装置4。所述氢气纯化装置3、氧气纯化装置4分别与氢气储存罐 5、氧气储存罐6连接，在储存罐之后分别安装压力调节器。所述控制器11连接于电源1及分别安装在氢气、氧气储存罐上的氢气压力传感器7和氧气压力传感器8。
26.控制器11与电源1相连，获得电源电压信号d，控制器11反馈电源控制信号c给电源1，电源设置有继电器控制回路，通过电源继电器控制电源与电解池2 连接的通断；氢气与氧气压力传感器均与控制器连接，控制器11获得氢气和氧气压力信号氢气压力传感器信号a、氧气压力传感器信号b；电池外观检测装置12 提供电池外观数据信号e给控制器11；电池充放电性能测试装置13提供电池充放电性能数据信号f给控制器11。
27.所述氢气纯化装置3和氧气纯化装置4均包括冷却、气液分离等装置。氢气经过氢气纯化装置与水蒸气分离，气体输送管道将所得高纯度氢气运输至氢气储存罐5中；氧气经过氧气纯化装置与水蒸气分离，气体输送管道将所得高纯度氧气运输至氧气储存罐6。
28.所述氢气和氧气压力调节器可以在恒定压力和体积下传输气体，对氢气、氧气的出口压力进行调节。气体压力调节器应用于需要精确、稳定控制压力的过程中，可以在传输系统中保持气体的纯度。
29.所述控制器以微型计算机系统为核心进行信号采集与计算、分析与决定对策、发出控制指令。控制器为氢气和氧气压力传感器提供稳定的电源，为整个系统提供具有参考价值的工作参数和工作状态。所述控制器可实现自动化控制，很大程度上可以避免系统工作中的危险性产生，同时操作人员可进行远程监控提高工作效率。
30.当控制器所接收的a、b、d均无异常，则系统正常运行；当出现异常信号时，控制器对整个系统的控制方法包括以下三种情况：
31.1)信号a异常
32.为保证系统安全运行，当氢气储存罐的压力大于或等于储存罐的预设最大压力时，控制接收到氢气压力传感器的氢气压力传感器信号a。此时控制器立即发出电源控制信号c至电源，切断电源、停止电解池工作。操作人员通过远程监控发现异常后及时更换氢气储存罐。
33.2)信号b异常
34.为保证系统安全运行，当氧气储存罐的压力大于或等于储存罐的预设最大压力时，控制接收到氧气压力传感器的氧气压力传感器信号b。此时控制器立即发出电源控制信号c至电源，切断电源、停止电解池工作。操作人员通过远程监控发现异常后及时更换氧气储存罐。
35.3)信号d异常
36.由退役电池组装成的集成式电源，在放电产氢的过程中电池的剩余能量逐渐减少，当电源电压低于电解池工作所需的最低电压时，控制器接收到电源压力信号d。此时控制器立即发出电源控制信号c至电源，切断电源、停止电解池工作。操作人员通过远程监控发现异常后及时更换电源。
37.图2为电解池的工作原理图，上述电解水制氢系统中，所述电解池采用一种以陶瓷锂离子交换膜为隔膜的酸碱混合水电解技术。电解池以陶瓷隔膜14为界分为阴极室15和阳极室16。如图3所示，该陶瓷隔膜14具有锂离子通道17能使锂离子选择性通过，在支撑体18
作用下保障陶瓷膜不会坍塌。所述水电解技术能够在利用废旧锂离子电池驱动下发生析氢反应且不发生氢氧混合现象。
38.上述电解水制氢系统中，所述电源是经过筛选得到的一致性较好的多个电池单体组装而成。为避免电池焊接带来的技术及经济问题，采用现有的电池架可直接将电池单体分别插入预设的电池腔内，经过统一放置、排线等操作组装成集成式电池模组。电池架的优势在于使用过程中方便电池的更换，同时为电解池提供充足的电压。上述电池组为电解池提供接近1.0
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7.0v的电压；上述电池组为高频直流电源。
39.上述电源是经筛选、分类后的多个电芯插入电池架而组成。考虑到退役电池使用过程中的稳定性及安全性，需要按照一定标准将废旧电池划分为不同的档次以期组合成一致性良好的电池模组，电池筛选过程为：
40.首先、进行电池外观检测，控制器接收到信号e后分析电池的外观基本数据进行初次筛选；
41.然后、进行电池充放电性能的测试，控制器根据电池容量、内阻及充放电电压的电池充放电性能数据信号f进行分析，将废旧电池进行二次筛选并分组。经筛选后的同组电池用于同一电池架中，可提高电源供电效率和稳定性。
42.以下是具体实施案例说明本实用新型的废旧锂离子电池放电与产氢一体化系统方法：
43.首先、将退役电池进行检测筛选获得一致性良好的电池组合，经筛选的电池组装成集成电源与电解池相连，所述电解池将析出的氢气和氧气分别输送至氢气纯化装置和氧气纯化装置；
44.筛选时退役电池逐一进行外观检测，可用工业相机采集电池外观数据。将不同种类和规格的电池区分开，同时将存在鼓包、极片脱落等现象的废旧电池剔除。初步筛选后的电池进行电池充放电性能测试，依据电池容量可将电池分组为 80％
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60％、60％
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40％、40％
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20％，将容量低于20％的电池直接剔除；用于同一模组的电池要求内阻相差不超过5mω，充放电电压相差不超过5mv。将筛选后的电池分组备用，同组电池插入电池架形成串联电路为产氢供电，当电压低于0.78v 时更换电池架中的电池。
45.电源提供了电解反应的低电压驱动力，能够发生电解反应的最低电压为 0.78v。电解槽中产生的氢气和氧气从管道中分别输送至氢气纯化装置和氧气纯化装置，经过一定的冷却、气液分离得到高纯度的氢气和氧气，随后分别进入氢气储存罐和氧气储存罐。氢气储存罐的设计压力为35mpa，最大预设压力为45mpa。氧气储存罐的设计压力为10mpa，最大预设压力为15mpa。压力调节器能够将该工艺产生的氢气、氧气出口压力稳定在某一数值。
46.其次、控制器获得电源压力信号d，控制器反馈电源控制信号c给电源；氢气与氧气压力传感器均与控制器连接，控制器获得压力信号a、b；当控制器所接收的a、b压力信号低于预设的最高压力且电压信号d大于工作所需最低电压时系统正常运行；当出现异常信号时，控制器对整个系统的控制方法包括以下三种情况：
47.1)信号a异常
48.为保证系统安全运行，当氢气储存罐的压力大于或等于储存罐的预设最大压力45mpa时，控制接收到氢气压力传感器的氢气压力传感器信号a。此时控制器立即发出反馈氢气压力传感器信号c至电源，切断电源、停止电解池工作。操作人员通过远程监控发现异
常后及时更换氢气储存罐。
49.2)信号b异常
50.为保证系统安全运行，当氧气储存罐的压力大于或等于储存罐的预设最大压力15mpa时，控制接收到氧气压力传感器的氧气压力传感器信号b。此时控制器立即发出电源控制信号c至电源，切断电源、停止电解池工作。操作人员通过远程监控发现异常后及时更换氧气储存罐。
51.3)信号d异常
52.由退役电池组装成的集成式电源，在放电产氢的过程中电池的剩余能量逐渐减少，当电源电压低于电解池工作所需的最低电压0.78v时，控制器接收到电源压力信号d。此时控制器立即发出电源控制信号c至电源，切断电源、停止电解池工作。操作人员通过远程监控发现异常后及时更换电源。
53.上述退役电池用于电解水产氢的具体案例表明，本实用新型提出的工艺改善了传统工艺中电能消耗量大的缺点，同时能将废旧电池中的剩余电能高值化利用。在较低成本的条件下生产了经济环保的氢气和氧气，推动了电解水产氢技术的发展。