废旧三元锂离子电池正极材料绿色回收及再利用研究

作     者：徐子贤 

作者单位：兰州理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：何玲

授予年度：2023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：锂离子电池 三元正极材料 绿色浸出 闭环再生 

摘      要：随着新能源汽车、航空航天等行业的发展，锂离子电池的市场占有率也越来越高。但锂离子电池由于寿命衰减、内部破损等原因产生大量报废，这造成一定的资源浪费和环境污染。在锂离子电池中，正极材料含有大量的镍、钴、锰、锂等金属元素，具有较高的回收价值。当前对于正极材料的回收主要采用传统的湿法回收，该方法主要使用过氧化氢作为还原剂，但过氧化氢具有腐蚀性和稳定性不佳等劣势，因此开发一种绿色温和的还原剂来实现废旧正极材料绿色回收就显得尤为必要。 本论文主要选取废旧三元正极材料作为研究对象，基于动力学等理论，构建了葡萄糖还原强化无机酸浸出体系，采用化学共沉淀法对有价金属离子进行回收，利用高温固相反应法研究正极材料的再生工艺，为废旧正极材料的回收及再利用提供了可能。研究结果如下： (1)采用单一变量法逐步优化酸浸工艺，在最佳工艺条件下磷酸浸出体系中有价金属的浸出率均在95%以上，硫酸浸出体系中有价金属的浸出率均大于97%。使用阿夫拉米方程和阿伦尼乌斯方程对浸出过程反应动力学进行拟合，结果显示浸出过程为界面化学反应控制。对浸出体系中葡萄糖分解过程进行了测定，葡萄糖通过醛糖氧化反应分解为酒石酸、葡萄糖酸、羟基丙二酸、乙醛酸、草酸、甲酸和二氧化碳，不仅起到还原作用，还增加了浸出体系的酸浓度。 (2)采用化学共沉淀法对浸出液中的有价金属进行分离提纯，草酸沉淀法镍、钴、锰的沉淀率均在95%以上，草酸共沉淀法生成的草酸锰不稳定，故采用碱共沉淀法对浸出液中有价金属进行回收。碱共沉淀法镍、钴、锰的沉淀率在96%左右。溶液中的锂离子以碳酸锂的形式进行回收，其纯度标准达到了99.15%。碱共沉淀的后续滤液经浓缩蒸发可得到硫酸钠晶体，共沉淀中使用的氨水可通过冷凝回收继续循环使用。 (3)采用固相反应法对三元锂离子电池正极材料进行再生，在最佳工艺参数下，再生正极材料其I003/I104值为1.48，表明其阳离子混排程度小，c/a值为4.97，表明其层状结构优异。测得再生的正极材料在0.2C的倍率下首次充放电比容量达到了164.1mAh·g-1和143.8mAh·g-1，库伦效率为87.65%。