中国科学院过程工程研究所机构知识库

近年来，随着锂离子电池在消费电子产品和电动汽车领域应用的快速增长，导致了资源需求的增加。因此，回收废旧锂离子电池不仅能够消除有害组分对环境的污染还能避免资源的短缺。本论文主要针对废锂离子电池正极废料中有价金属Li、Co和Ni的回收，系统开展了氨-铵盐体系选择性浸出正极废料中有价金属Li、Co和Ni的研究，重点包括氨-硫酸铵体系选择性浸出LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极材料的机理、浸出过程工艺的优化、浸出过程动力学以及氨-铵盐体系选择性浸出废锂离子电池实际物料过程工艺的优化等研究。主要研究内容如下：（1）采用SEM、EDS、以及XPS等表征技术，系统表征了锂离子电池生产废料、废锂离子电池拆解得到的正极材料以及废锂离子电池破碎得到的实际物料。分析发现，相比于生产废料，由于充放电过程中Li离子的嵌入/脱出，导致循环后的废锂离子电池正极材料处于欠锂状态，材料颗粒结构破坏。XPS的分析还发现，锂离子的脱出还导致LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2中Ni离子发生氧化，价态升高。（2）通过SEM、EDS、XRD以及XPS分析氨-硫酸铵体系浸出LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极材料过程机理，发现浸出过程中由于还原反应导致M-O-M键的断裂，层状结构得到破坏。3a位置的Li以Li+形式进入溶液中，3b位置的过渡金属M（Ni、 Co、Mn）以、以及配合物形式存在于溶液中，最终不稳定的结合溶液中的阴离子生成(NH4)Mn(SO3)2·H2O沉淀。（3）系统开展了氨-硫酸铵体系选择性浸出LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极材料的工艺优化，得到最佳工艺。氨水浓度4 mol·L-1，硫酸铵浓度1.5 mol·L-1，亚硫酸钠浓度0.5 mol·L-1，搅拌速率500 rpm，固液比10 g·L-1，反应温度353 K，浸出时间300 min下，Li、Ni、Co和Mn的浸出率分别为95.3%、89.8%、80.7%和4.3%配合工艺研究，对浸出过程进行了动力学研究，结果表明浸出过程遵循“未反应收缩核模型”，实验条件下Li、Ni和Co的浸出反应的表观活化能分别为83.30 kJ·mol-1、77.93 kJ·mol-1和87.92 kJ·mol-1，推断浸出反应为界面化学反应控制。（4）针对实际物料，系统开展了氨-碳酸铵-亚硫酸铵体系高效浸出Li、Ni和Co元素的工艺优化，得到最佳工艺。在最佳条件为氨水浓度1 mol·L-1，碳酸铵浓度1 mol·L-1，亚硫酸铵浓度0.5 mol·L-1，固液比100 g·L-1，反应温度353 K，浸出时间180 min下，Li、Ni和Co的浸出率分别为75.1%、81.6%和81.9%，Cu的浸出率达到99%，而Al、Fe和Mn的浸出率均低于1%，有价金属的浸出选择性为94.64%。