动力电池正极材料湿法回收及补锂机制研究

作     者：唐鑫 

作者单位：西南科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李晶;刘昊

授予年度：2020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 水热浸出 梯度煅烧 Na-F掺杂 水热补锂 

摘      要：环境污染和能源短缺推动了新能源汽车的爆发式增长。而作为新能源汽车的动力源,锂离子动力电池数量也随之猛增。废旧动力电池属于严重污染类固体废物,如处理不当,则会造成严重的环境污染和资源浪费。如有价金属资源浪费、重金属污染、电解质及有机溶剂污染等。因此,对废旧动力电池进行高效回收是实现资源高效利用,缓解环境污染的重要举措。本文主要针对目前新能源车两种主流锂离子电池:三元锂离子电池和磷酸铁锂电池的正极材料进行了回收利用研究。主要研究内容包括:(1)针对不同正极材料采用不同的剥离收集方式,建立了废旧动力电池前期预处理(深度放电、拆解、分类与剥离等)工艺,对废旧正极材料进行相关测试表征,提出了三元正极材料、LiFePO正极材料的失效机制。并针对不同材料的失效机制,设计了对应的回收工艺。(2)采用“水热浸出工艺处理废旧三元材料(LiNiCoMnO),利用水热反应的高温高压条件提高有价金属浸出效率。研究了水热浸出工艺对废旧三元材料中有价金属浸出率的影响。结果显示:在0.5 M硫酸中,当浸出温度为150℃、浸出时间为8 h、固液比为20 g L时,有价金属的浸出效率均高于90%。(3)通过共沉淀方式对浸出液中有价金属进行闭路回收,成功再合成了LiNiCoMnO三元材料。考察了煅烧工艺及Na-F离子掺杂对材料性能的影响。实验结果表明:梯度煅烧能有效减缓三元材料晶型转变速度、减少晶格缺陷,提升层状结构的完整性与稳定性,其中最优工艺再合成的三元材料具有177.9 mAh g的首次放电容量和高达82.07%的容量保持率(0.2C循环100周)。Na-F掺杂能有效降低材料阳离子混排、稳定层状结构、提升循环与倍率性能,且当掺杂量x为0.02时,材料LiNaNiCoMnOF具有最高的首次放电容量176.37 mAh g以及最好的倍率性能和较高的87.48%的容量保持率和(0.2C循环100周)。(4)采用固相补锂、水热补锂两种工艺对废旧LiFePO材料进行补锂修复,前者利用LiCO通过传统固相碳还原方式对废旧LiFePO材料进行补锂,后者采用LiOH水溶液通过水热反应对废旧材料进行补锂修复,并在水热补锂后通过退火提升材料结晶度。结果表明:水热补锂+退火的工艺所得材料在纯度、晶体结构、电化学性能等方面均优于传统固相补锂,其中最优水热补锂工艺修复后的LiFePO首次放电容量及容量保持率(0.2C循环100周)分别为144.02 mAh g和92.36%,而固相补锂修复后的LiFePO性能分别为135.13 mAh g和89.5%。