废旧钴酸锂电池正极材料的再生工艺研究

作     者：高宏福 

作者单位：兰州理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：蒙延双;吴克富

授予年度：2022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 钴酸锂 再生 激光剥离 

摘      要：废旧钴酸锂(LCO)电池所含金属离子及电解液等物质,如处理不当会对环境造成巨大危害,同时其正极材料中所含锂、钴等金属又是重要的资源,因此对废旧LCO电池正极材料的回收和再利用已迫在眉睫。目前人们主要通过酸浸工艺对LCO正极材料进行回收,但该工艺流程复杂,而且过程中消耗了大量的酸、碱,不仅对设备造成腐蚀,也会对环境造成二次污染。对此,本文探索了废旧LCO正极材料的再生工艺,并对再生的LCO正极材料进行聚丙烯酸锂包覆以提高其充电电压。采用XRD、SEM、XPS等对再生LCO正极材料结构、形貌等进行了表征,采用EIS、CV、GCD等测试方法分析了再生LCO的电化学性能。主要研究内容及结论如下:(1)采用溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)将废旧LCO正极材料与铝箔分离,经补锂得到再生LCO。电化学测试表明再生LCO的循环性能和倍率性能明显优于废旧LCO。其中,当再生LCO中锂钴摩尔比为1.05时(1.05PR-LCO)表现出的电化学性能最佳:在25 m A g的电流密度下,循环100次后具有85.8 m Ah g的放电容量,容量保持率为76.3%;在1250 m A g的电流密度下,仍然具有较高的放电容量(85 m Ah g)。(2)采用激光剥离的工艺将废旧LCO与铝箔分离,通过补锂得到再生LCO(LR-LCO)。激光在剥离LCO的过程中去除了乙炔黑(C)和粘结剂PVDF,同时将LiCo O分解为Li Co O和CoO,促进了LiCO与LiCo O的充分反应,从而得到高结晶度的再生LCO。经补锂再生的LR-LCO具有良好的电化学性能,在25 m A g的电流密度下,循环100次后可逆容量为120 m Ah g;在1250 m A g的电流密度下,其容量也保持在97.2 m Ah g。(3)采用湿化学法在再生LCO表面包覆聚丙烯酸锂(LCO@LiPAA),对其电化学性能进行改性。研究表明,聚丙烯酸锂包覆层抑制了LCO在4.6 V下结构不可逆相变的发生,提高了LCO正极材料的界面稳定性。同时,聚丙烯酸锂包覆层将LCO与电解液隔离开,有效缓解了充放电过程中钴离子的溶解,因此有利于提高LCO材料的电化学性能。测试结果显示,LCO@LiPAA在4.6 V下具有良好的循环稳定性:15 m A g的电流密度下循环100次后,具有220.8/216.7 m Ah g的充/放电比容量。同时,在750 m A g的电流密度下,LCO@LiPAA的放电容量为130.3 m Ah g,当电流密度回到15 m A g时,容量保持在201.1 m Ah g,说明LCO@LiPAA的倍率性能良好。