Method for deactivation of lithium

Abstract

The invention relates to a method for deactivation of lithium (102), using an inert gas and water, comprising: providing a deactivation vessel (101), which contains the lithium (102), introducing the inert gas and the water into the deactivation vessel (101), and conducting a chemical reaction between the lithium and the water to form lithium hydroxide and hydrogen.

Description

Method for deactivation of lithium

[0001] The present invention relates to a method for the deactivation of lithium, especially of lithium in lithium ion batteries.Background of the invention

[0002] Recycling lithium ion batteries typically involves conducting a mechanical treatment on the lithium ion batteries. This treatment includes dismantling and crushing the batteries, and separating their components, yielding so-called black mass, which is then typically stored in appropriate containers, like ton bags for instance. The elemental lithium contained within this black mass is highly reactive. In particular, the reaction of lithium with water, or moisture respectively, generates heat and hydrogen, thus posing a significant fire hazard and a risk of explosion.

[0003] According to the state of the art, this risk is handled by removing the black mass from the container in which it is stored and dispersing it, if there is an indication of smoke or other signs of potential fire like an increase of temperature. By dispersing the black mass, the generated heat is released and the local concentration of hydrogen is decreased, so that the risk of a fire and / or explosion is reduced.

[0004] This method is not well controllable, and there is a constant risk of fire and / or explosion, as it cannot be predicted when the temperature reaches a critical level, or when a local increase of the hydrogen concentration occurs. Thus, constant monitoring of the temperature and hydrogen levels is required. Additionally, in case of the temperature and / or the hydrogen levels are not within a predefined range, the lithium has to be removed from the container and be dispersed, which requires having appropriate personnel available constantly.

[0005] Disclosure of the invention

[0006] According to the invention, a method for the deactivation of lithium using an inert gas and water, comprising the features of the independent claims, is proposed. Advantageous embodiments are subject of the dependent claims and the following description.

[0007] The present invention provides a method for the deactivation of lithium using an inert gas, e.g. nitrogen, carbon dioxide or argon, and water, which can for example be in liquid or, at least  partially, vaporized form. There, the lithium can be in particular in the so-called black mass, which is a mixture of materials obtained after a mechanical treatment of lithium ion batteries. The lithium, or the black mass respectively, is contained within a deactivation vessel, which the inert gas and the water can be introduced to. The elemental lithium reacts with the water, forming lithium hydroxide and hydrogen according to the reaction equation 2Li + 2H2O = 2LiOH + H2.

[0008] The deactivation vessel can be any vessel in which chemical reactions, in particular the reaction of lithium and water, can take place in a controlled manner. The deactivation vessel can be a chemical reactor, like a batch reactor for instance.

[0009] The water introduced into the deactivation vessel is required for the reaction with the lithium, while the inert gas gives rise to a dilution of the generated hydrogen, such that the risk of an explosion due to a critical concentration of hydrogen is reduced. Another advantage of this method, especially with regard to prior art, is the better controllability of the reaction of the lithium with the water, such that no uncontrolled heat build-up within the lithium, or the black mass respectively, occurs and the fire hazard is reduced.

[0010] In an embodiment, the water, which is introduced into the deactivation vessel, is at least in part in a vaporized form. Thus, the efficiency of the reaction of the lithium with the water can be increased, as water vapor can disperse more effectively within the deactivation vessel compared to water in liquid form. Additionally, the control of the reaction conditions can be enhanced, as in particular temperature and pressure of the water vapor can be adjusted.

[0011] In an embodiment, a mixture of the inert gas and the water is generated and brought into contact with the lithium, e.g. by introducing the inert gas and the water into the deactivation vessel via spray nozzles. On the other hand, this mixture may be introduced into the deactivation vessel. Mixing the water and the inert gas outside the deactivation vessel, has the advantage that the controllability of the composition of the mixture, in particular the concentration of the water and the inert gas, can be increased. Moreover, the water and the inert gas can be dispersed more effectively and the mixture can be spread more evenly within the deactivation chamber, thus enabling a more efficient and controllable reaction of the water and the lithium.

[0012] In an embodiment, the lithium is contained within an anode active material of a battery, e.g. a lithium ion battery. Thus, the described method can be applied during the recycling process of lithium ion batteries, in particular enhancing the safety, i.e. reducing the fire hazard and  explosion risk, especially during the storage of lithium containing materials, like the black mass for instance.

[0013] In an embodiment, nitrogen and / or carbon dioxide and / or argon are used as an inert gas. Introducing the inert gas to the reaction between lithium and water, gives rise to a dilution of the generated hydrogen. Thus, the hydrogen concentration, in particular within the deactivation vessel, remains in a range in which no risk of explosion occurs. In particular, the inert gas must not react with the lithium, or any other component contained within the deactivation vessel.

[0014] In an embodiment, the mixture of the inert gas and the water is generated by means of a bubbler, outside of the deactivation vessel. The use of a bubbler provides a simple and cost-effective way to generate the mixture of the water and the inert gas, and allows a convenient adjustment of the concentrations of the water and the inert gas in the mixture.

[0015] In an embodiment, the concentration of the water within the bubbler is adjusted by means of a heater. Thus, the concentration of water can be controlled, or in particular be increased, such that the ratio of water and inert gas can be adjusted.

[0016] In an embodiment, the mixture of water and inert gas can also be generated by mixing water steam with the inert gas. Compared to using a bubbler to generate the mixture, this solution would be even more cost-effective, as the bubbler is not required. Thus, also the susceptibility to errors of the apparatus is reduced accordingly.

[0017] In an embodiment, the concentration of the water within the deactivation vessel is adjusted. This allows a controllability of the chemical reaction which takes place inside the deactivation vessel, in particular the reaction between the lithium and the water. The concentration of water within the deactivation vessel can be adjusted by means of the bubbler, for instance, or by adjusting the composition of the mixture of the water steam and the inert gas. In particular, the concentration of the water is adjusted such that the chemical reaction proceeds slowly enough, so that the temperature within the deactivation vessel does not reach a critical range in which the risk of a fire is increased.

[0018] In an embodiment, the concentration of the inert gas within the deactivation vessel can be determined and / or adjusted. The determination of the concentration of the inert gas can be performed by appropriate sensors, including for example infrared or electrochemical gas sensors, photoionization detectors, MOS sensors, or chemical sensing methods, like catalytic bead sensors for instance. The adjustment of the concentration of the inert gas within the  deactivation vessel allows a controlled dilution of the hydrogen, which is generated from the chemical reaction of the lithium with the water. In particular, the concentration of hydrogen can be sufficiently diluted, such that the risk of an ignition or explosion of the hydrogen is reduced.

[0019] In an embodiment, the concentration of the inert gas, in particular within the deactivation vessel, is adjusted, such that the generated hydrogen concentration in the deactivation vessel is diluted below a predetermined level. The predetermined level is in particular chosen such that the hydrogen concentration is low enough, such that the risk of an ignition of the hydrogen, and therefore also the risk of an explosion, is minimized.

[0020] In an embodiment, additional inert gas can be directly introduced into the deactivation vessel. Thus, if the concentration of the inert gas within the deactivation vessel is not high enough to ensure a safe execution of the method presented in this invention, the concentration of the inert gas can be increased. Thus, a concentration of the inert gas can be adjusted within the deactivation vessel, which allows a safe execution of the method, i.e. the risk of an explosion or ignition of the hydrogen is reduced. There, in particular the predetermined level of the hydrogen concentration can be implemented for setting the concentration of the inert gas.

[0021] In an embodiment, the deactivation vessel comprises at least one of a relative humidity monitor, a hydrogen concentration monitor, an oxygen concentration monitor, a temperature monitor, and a pressure monitor.

[0022] The relative humidity monitor allows monitoring the concentration of water in the deactivation vessel. In particular, based on the relative humidity in the deactivation vessel, the progress of the chemical reaction could be determined. For instance, provided a closed system without a continuous supply of water vapor, the humidity would decrease over time, due the chemical conversion, i.e. the chemical reaction of the water and the lithium. Also, it could be possible to determine whether the lithium is completely converted, or the reaction stopped respectively, based on the humidity level. Additionally, the relative humidity sensor can be used as a basis for the adjustment of the water concentration in the deactivation vessel.

[0023] Monitoring the hydrogen concentration can be important for safety reasons. If the concentration of hydrogen is in a range, in which there is an elevated risk of an explosion, the inlet of the inert gas to the deactivation vessel can be increased, such that the concentration of the hydrogen is reduced.

[0024] An oxygen concentration monitor can be implemented to check whether the environment within the deactivation vessel is of low reactivity or inert. In case of the presence of oxygen,  there is a risk of an explosive reaction of the generated hydrogen and the oxygen. If there is oxygen within the deactivation vessel, the inlet of the inert gas could be increased for instance, thus displacing the oxygen from the deactivation vessel.

[0025] Monitoring temperature and / or pressure within the deactivation vessel can also be necessary for safety reasons. If the temperature is above a first predetermined value, for instance, there could be an increase of the fire hazard, if it is below a second predetermined value, the temperature could be too low for an efficient chemical reaction of the lithium and the water, or the water might even freeze. Additionally, if the pressure within the deactivation vessel is not within a predefined range, the structural stability of the deactivation vessel may be affected, either by over-or under-pressure. Thus, if the temperature and / or the pressure within the deactivation vessel are outside a predefined range, the reaction could be interrupted for instance, or other safety measures could be implemented respectively.

[0026] In an embodiment, the deactivation vessel rotates, which gives rise to a better mixing of the reaction components. Thus, the mixing of the reagents, i.e. lithium and water, is increased, leading to a more efficient, spatially more uniform chemical reaction. Additionally, also the mixing of the generated hydrogen and the inert gas is enhanced, such that the distribution of the hydrogen concentration within the deactivation vessel is more uniform. Thus, it is more unlikely that hydrogen accumulates locally within the deactivation vessel, in which case there would be locally increased hydrogen concentrations, which would increase the risk of an explosion.

[0027] In another aspect of the present invention, an apparatus for the deactivation of lithium using an inert gas and water, is provided. The apparatus comprises a deactivation vessel, which is configured to contain the lithium, and one or more lines for introducing the inert gas and the water into the deactivation vessel. This apparatus is configured to implement a method according to the present invention. The features and advantages discussed above in relation to the method according to the present invention equally apply to the apparatus according to the present invention.

[0028] The present invention provides a method and an apparatus that enable the deactivation of lithium using an inert gas and water. The invention has a number of advantages, especially compared to prior art.

[0029] According to prior art, lithium, which can be contained within the black mass which is generated in the recycling process of lithium ion batteries for instance, is stored passively in appropriate containers, like ton bags. Lithium is highly reactive, especially reacting with water,  or moisture respectively, generating hydrogen and heat, which gives rise to a fire hazard and a risk of explosion. According to prior art, these risks are handled by removing the lithium, or the black mass respectively, from the container in which it is stored, and dispersing it, if there are indications of fire, or increased levels of hydrogen. Removing the lithium from the container and dispersing it, allows releasing heat and reducing the local concentration of hydrogen, such that the risk of fire and / or explosion is reduced.

[0030] This approach does not allow a precise control of the chemical reaction, leading to a persistent risk of fire and / or explosion. As it is not possible to anticipate when the temperature might reach a critical level or when localized increases in hydrogen concentration may occur, continuous monitoring of temperature and hydrogen levels is necessary. If these parameters stray beyond predefined limits, it necessitates the removal and dispersion of lithium from the container, which requires the continuous presence of adequately trained personnel for instance.

[0031] The provided method for the deactivation of lithium using an inert gas and water has distinct advantages, in particular compared to prior art.

[0032] The provided method allows a controlled reaction of the lithium, as the concentration of water, which is introduced to the deactivation vessel, can be adjusted. Thus, also the generation of heat can be controlled, in particular such that the temperature within the deactivation vessel is below a critical level, which reduces the risk of ignition, or fire respectively.

[0033] Additionally, an inert gas is introduced to the deactivation vessel, diluting the generated hydrogen. The concentration of the inert gas can be controlled, such that the dilution level of the hydrogen, thus also the hydrogen concentration, within the deactivation vessel can be adjusted to lie within an uncritical range. Therefore, the risk of an explosion can be reduced.

[0034] Moreover, the provided method can be implemented by means of an appropriate apparatus. In its simplest form, the apparatus comprises a deactivation vessel, in which the chemical reactions take place, and a source of water, as well as a source of an inert gas, which can be introduced to the deactivation vessel. Thus, an appropriate apparatus can be realized in a simple and cost-effective way.

[0035] Further advantages and embodiments of the invention will be apparent from the description and the accompanying drawing.

[0036] The invention is shown schematically in the drawing by means of an example of an embodiment and is described below with reference to the drawing.

[0037] Short description of the figures

[0038] Fig. 1 shows an embodiment of an apparatus according to the present invention, which allows an execution of the method according to the present invention.

[0039] Embodiment (s) of the invention

[0040] Fig. 1 illustrates an exemplary apparatus 100, which allows the execution of the method according the present invention.

[0041] The apparatus 100 comprises a deactivation vessel 101, which contains lithium 102, or black mass respectively, and a bubbler 103. The apparatus 100 further comprises a line 105 for introducing water to the bubbler 103, a line 104a for introducing nitrogen to the bubbler 103, a line 104b for introducing nitrogen to the deactivation vessel 101, and a line 106, which connects the output of the bubbler to an inlet of the deactivation vessel 101.

[0042] A mixture of water and nitrogen, which is provided by the bubbler 103, is introduced to the deactivation vessel 101 via the corresponding line 106. The water reacts with the lithium 102, which is contained in the deactivation vessel 101, forming lithium hydroxide and hydrogen.

[0043] The presence of nitrogen in the mixture gives rise to a dilution of the hydrogen. There, the hydrogen concentration can be adjusted within the bubbler 103, such that in particular the hydrogen concentration within the deactivation vessel 101 does not reach a critical range in which there is a risk of explosion and / or ignition. Additionally, nitrogen gas can be directly introduced into the deactivation vessel 101 via the line 104b, allowing a further adjustment of the hydrogen concentration in the deactivation vessel 101.

[0044] The concentration of water in the deactivation vessel 101 can be adjusted by means of the bubbler 103. In particular, the water concentration is adjusted to ensure that the chemical reaction proceeds at a controlled pace, which can prevent the temperature in the deactivation vessel from reaching a critical range where the risk of fire would be increased.

[0045] By means of the bubbler 103, a mixture of water and nitrogen, so-called wet nitrogen, is generated. The water is introduced to the bubbler 103 via the line 105, while the nitrogen is introduced via the line 104a. In particular, the water within the mixture of water and nitrogen,  can be in, at least partially, vaporized form, or moisture respectively. This mixture of vaporized water and nitrogen can be generated by means of the bubbler 103, by passing the nitrogen gas through the water, such that, when exiting the water, some water vapor is dissolved in the nitrogen gas. The bubbler 103 can additionally contain a heater, such that the concentration of water in the mixture of vaporized water and nitrogen can be further increased.

[0046] As there is a direct connection the bubbler and the deactivation vessel via the line 106, the concentration of water in the mixture within the deactivation vessel 101 can thus be indirectly adjusted.

Claims

1.Method for deactivation of lithium (102) , using an inert gas and water, comprising:providing a deactivation vessel (101) , which contains the lithium (102) ,introducing the inert gas and the water into the deactivation vessel (101) , andconducting a chemical reaction between the lithium and the water to form lithium hydroxide and hydrogen.2.Method according to claim 1, wherein the water in the deactivation vessel (101) is at least in part in a vaporized form.3.Method according to any one of the preceding claims, wherein a mixture comprising the inert gas and the water is generated, which is brought into contact with the lithium.4.Method according any one of the preceding claims, wherein the lithium is contained within a black mass, which is a mixture of materials obtained after a mechanical treatment of lithium ion batteries.5.Method according to any one of the preceding claims, wherein the inert gas is nitrogen and / or carbon dioxide and / or argon.6.Method according to any one of the preceding claims when referring back to claim 3, wherein the mixture of the inert gas and the water is generated with a bubbler (103) outside of the deactivation vessel (101) .7.Method according to claim 6, wherein the concentration of water is adjusted within the bubbler (103) by means of a heater.8.Method according to any one of the preceding claims when referring back to claim 3, wherein the mixture of the inert gas and the water is generated by mixing water steam with the inert gas.9.Method according to any one of the preceding claims, wherein the concentration of water within the deactivation vessel (101) is adjusted.10.Method according to any one of the preceding claims, wherein the concentration of the inert gas and / or the concentration of water within the deactivation vessel (101) are determined and / or adjusted.11.Method according to claim 10, wherein the concentration of the inert gas is adjusted in order to dilute the generated hydrogen concentration in the deactivation vessel (101) below a predetermined level.12.Method according to claim 10 or 11, wherein additional inert gas is directly introduced into the deactivation vessel (101) to adjust the hydrogen concentration.13.Method according to any one of the preceding claims, wherein the deactivation vessel (101) comprises at least one of a relative humidity monitor, a hydrogen concentration monitor, an oxygen concentration monitor, a temperature monitor, and a pressure monitor.14.Method according to any one of the preceding claims, wherein the deactivation vessel (101) rotates.15.Apparatus (100) for deactivation of lithium (102) , using an inert gas and water, comprising:a deactivation vessel (101) configured to contain the lithium (102) , andone or more lines (104b, 106) for introducing the inert gas and the water into the deactivation vessel (101) ,the apparatus (100) being configured to implement a method according to any one of the preceding claims.

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