氨基乙酸盐体系选择性浸出退役锂离子电池中有价金属元素的工艺研究

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21世纪以来,以锂离子电池为主的新型绿色能源开始逐渐代替传统的化石能源。锂离子电池因其较高的能量输出、可重复性使用以及环保性强于化石燃料的特点被人们广泛的应用在生活之中。大量以锂离子电池为能源的设备如手机、电脑、电动车等进入千家万户,使得锂离子电池的市场份额逐年递增。但是随之而来的便是全球开始面临锂钴镍锰矿产资源的日益枯竭问题。我国的锂钴镍锰的矿产资源相对较少,而锂离子电池中有着高品位的锂钴镍锰等金属元素,具有较高的资源化价值,加上我国是全球锂离子电池消耗大国,如何有效地将退役锂离子电池中的锂钴镍锰等有价金属提取,更加合理的将有价金属元素进行高效率的循环利用是一个非常重要的课题。本文研究对象为已退役的三元锂离子电池材料,提出了使用氨基乙酸盐体系选择性浸出退役锂离子电池中有价金属元素的新工艺,充分研究了单因素条件下对锂钴镍锰浸出率的影响。所得结论如下:研究以氨基乙酸盐体系选择性浸出退役锂离子电池中有价金属元素的工艺条件,先对退役锂离子电池材料做XRD物相分析和SEM分析,针对此退役锂离子电池各元素组成的特点,结合实际情况进行探索性的浸出实验,再对单因素条件做系统性实验,判断影响浸出率的因素。最终确定氨基乙酸盐体系下的锂钴镍锰浸出工艺条件为:配体浓度[Gly-]T=3 mol·L-1,反应温度为90℃,液固比为5:1,p H值为8,搅拌速度400 r/min,反应时间为3 h,双氧水(30%)用量为5 vol.%。在此工艺条件下,锂浸出率为96.31%,钴浸出率为83.18%,镍浸出率为91.56%,锰浸出率为31.16%。主要杂质金属钙铝铁铜溶出量极少。通过对退役锂离子电池的原料和浸出渣的XRD物相对比分析,氨基乙酸盐体系能够将原料中Li(Li0.406Mn1.592)O4和Li Co O2基本溶解,浸出渣中主要以石墨,Co O2和Mn CO3为主。对此体系进行重复性实验,验证结果表明锂、钴、镍和锰的浸出率稳定,主要杂质元素的浸出量极少。说明氨基乙酸盐体系能够很好的浸出退役锂离子电池中主要金属元素,杂质金属元素几乎不溶出,体现此工艺体系具有较好的选择性。可以获得较为纯净的含有锂钴镍锰的浸出液,便于后续利用浸出液直接制备电极材料。最后对氨基乙酸盐体系下锂、钴、镍和锰的浸出动力学进行了研究和分析。通过对浸出速度和时间得出动力学方程分别为:锂:y=-5.56x+11.47;R~2=0.91;钴:y=-6.53x+11.84;R~2=0.99;镍:y=-5.91x+10.79;R~2=0.95;锰:y=-7.22x+13.73;R~2=0.98。根据Arrhenius方程计算出在化学反应中锂、钴、镍和锰的活化能(Ea)分别为46.23k J/mol、54.29 k J/mol、49.14 k J/mol、60.03 k J/mol。活化能均超过42 k J/mol,说明在此浸出条件下的锂、钴、镍和锰是由化学反应控制。
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