废旧锂离子动力电池中镍钴锰酸锂正极材料的回收及再利用

作     者：史红彩 

作者单位：郑州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：范丽波

授予年度：2017年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

主      题：废旧锂离子电池 回收及再利用 镍钴锰酸锂 共沉淀法 高温固相法 

摘      要：废旧锂离子动力电池中含一些有价金属元素,如:钴、镍等,和一些有毒化学物质,如:氟化物。因此,在废旧锂离子动力电池中,尤其是正极材料的回收及再利用对节约自然资源和保护环境显得非常重要。但是,就目前而言,有关废旧锂离子动力电池中镍钴锰酸锂正极材料的回收及再利用的研究比较少。针对上述问题,本文对以镍钴锰酸锂(以下简称“三元)为正极材料的废旧锂离子动力电池的回收及再利用展开研究。本文主要研究内容包括:(1)对废旧三元锂离子动力电池进行前期的电化学性能(剩余容量、内阻、电压等)评估,并与同系列的新电池作对比。确定这些电池是否已达到无法满足在高性能电动设备中应用的废旧程度。(2)对无法满足在高性能电动设备中应用的电池,进行人工拆解回收。首先,为了确保废旧电池放电完全,拆解前通过多次对比实验,选择最佳浓度的氯化钠水溶液使电池短路并完全放电。然后,将废旧电池实施拆解,正/负极片、隔膜得到单独分离。拆解后,用有机溶剂(1-甲基-2-吡咯烷酮,简称“NMP)将正极活性物质和集流体铝箔分离,并研究了不同的固液比、水浴温度及超声时间对正极活性物质和集流体铝箔分离的影响。随后,将回收料在不同温度下煅烧,为确定杂质碳和粘结剂(偏二氟乙烯,简称“PVDF)等有机物质是否完全去除,通过X射线粉末晶体衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、红外光谱(FT-IR)、热重分析(TGA)等手段进行表征。最后,将除杂后的材料组装成纽扣电池对其进行电化学性能研究。(3)以煅烧后的三元回收料为原料,通过两种途径重新合成三元材料来提高回收料的比容量。第一种是共沉淀法,依据感应耦合等离子体(ICP)测试回收料的金属含量,采用柠檬酸作为浸取剂和络合剂来合成目标产物。并从柠檬酸浓度、过氧化氢的加入量、液料比、水浴温度以及磁力搅拌时间等5个方面对回收料的溶解率做了系列研究。第二种是高温固相法,通过在回收料中直接添加锂源经高温焙烧合成目标产物。研究了添加不同质量比锂源合成的材料,对其进行XRD、SEM等手段表征。最后,将此材料组装成纽扣电池进行充放电测试,确定出最佳的添加锂源质量比。