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废旧锂电池中有价金属选择性提取与正极材料再制备研究

【摘要】:为顺应科技创新潮流,以及减少不可再生能源的消耗,以锂离子电池为储能部件的电子产品和电动汽车等也随之快速发展,而锂电池一般使用寿命为3~5年,这就导致废旧锂电池的数量呈上涨趋势。其中所包含的有价金属、有机溶剂等组成成分容易对人体健康和环境造成危害,同时富含Li、Co等金属又是高附加值资源。因此,探索合理的回收方法,实现废旧锂电池的绿色回收与再利用成为研究热点。本文拟采用温和浸出和简单易行的分离体系,保证各金属高回收率的同时,针对性的对不同正极材料进行回收和再利用研究。主要研究内容如下:(1)针对酒石酸处理LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料,通过单因素实验探究不同条件对各金属浸出率影响,并对浸出过程进行动力学分析,计算各金属离子活化能,探究反应机理和具体浸出行为。得到浸出最佳条件为:酒石酸浓度为0.6mol/L,双氧水浓度为4 vol.%,液固比为40mL/g,温度为80℃和时间为30min,此时达到Li和过渡金属(Co、Mn和Ni)有效短程分离,同时低浓度的酒石酸降低了浸出成本。浸出动力学分析说明酒石酸浸出体系为化学反应控制模型。并通过XRD、XPS等表征确定浸出产品以C4H4O6Me形式存在。(2)针对上述所得到富含过渡金属的产品,使用微量硫酸再浸出,获取所需金属盐溶液,采用碳酸盐共沉淀法合成新的LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极材料,并对修复再生的正极材料进行电化学性能表征。结果表明:在最佳沉淀条件下,获得的Co1/3Ni1/3Mn1/3CO3前驱体具有规整的形貌和结晶度高的晶体结构。通过探究不同煅烧温度和添加不同锂源,得到最佳制备条件为将前驱体与Li2CO3混合,在500℃条件下煅烧5h后再进行900℃煅烧12h,对其进行XRD、SEM等物相表征,判定可获得结构完整的LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极材料,最后将其进行电化学表征得到在0.1 C下首次放电比容量达到159 mAh/g,在0.5 C循环50圈,保持率可达到97%以上。(3)以废旧磷酸铁锂电池正极材料为原料,利用羟基自由基具有较强氧化性,添加适量的Fe2+和H2O2制造Fenton体系,代替传统的酸浸过程,可实现锂浸出在溶液中,而铁氧化为FePO4的形式存在,从而达到一步选择性浸出和分离的效果。该体系中各因素优化条件为1 g/L LiFePO4、30 mmol/L H2O2、0.5 mmol/L FeSO4、40℃和 30 min,此时 Li 的浸出率为 97.8%,Fe的浸出率小于1%,通过XRD、XPS等物理性能表征说明沉淀为FePO4产物。动力学分析表明,Li的浸出行为属于化学反应控制。通过EPR检测出DMPO-OH特征峰存在,进一步证明反应为Fenton体系。以浸出产品为原料,采用碳还原法,对煅烧温度和添加碳含量优化,得到最佳制备条件为煅烧温度为750℃,含碳量为25%的葡萄糖和过量5%的Li2CO3。对其进行XRD、SEM等物相表征,得到结构完好的LiFePO4正极材料,并进行电化学性能测试发现0.1 C首次放电比容量达到138.9 mAh/g,实现废旧正极材料的修复再生。

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