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廢舊鋰離子電池負極材料回收方法概覽
發(fā)布時間:2022-03-25 來源:中國無機鹽工業(yè)協(xié)會     分享到:

1、浮選法回收


浮選法是利用物質本身的潤濕性差異,或者利用捕收劑、起泡劑和調整劑的作用,選擇性的將疏水材料與親水材料分開的物理過程。鋰離子電池負極材料石墨是一種非極性、疏水材料,廢鋰離子電池中的LiCoO2則是極性強、親水性好的離子晶體。浮選法正是利用兩者的潤濕性差異進行分離回收。


有研究者采用Fenton助劑浮選方法,在H2O2/Fe2+為40/280和液固比為25/100的最適宜參數下改性電極材料,再經浮選分離,LiCoO2的回收率達到98.99%。此外,研究者還研究了研磨浮選技術。通過研磨使LiCoO2和石墨的潤濕性產生差異,浮選后LiCoO2和石墨的精礦品位分別為97.13%和73.56%,回收率分別為49.32%和73.56%。通過熱解-超聲輔助法可以去除有機黏結劑,使LiCoO2的回收率從74.62%提高到93.89%。浮選法實現了LiCoO2正極和石墨負極材料的同時回收,簡化了回收流程,操作簡單、高效、污染小,但是該方法回收的石墨含有較多雜質,分選得到的石墨純度有待進一步提高。


2、熱處理回收


鋰離子電池負極銅箔與活性物質間存在黏合劑PVDF,熱處理法是將廢舊鋰離子電池負極置于一定高溫區(qū)間使黏合劑揮發(fā)或分解,使銅箔集流體與負極活性物質石墨粉得以分離。


熱處理法可高效地去除黏結劑,分離銅箔集流體與活性物質。但這種方法也有不足之處,在高溫條件下有機黏結劑易分解生成有害氣體,如不采取合理的處理會產生二次污染。


3、濕法冶金回收


廢舊負極中含有遠高于環(huán)境豐度的鋰(30.07mg·g-1),它們大部分以無機物Li2O、LiF、Li2CO3和有機物ROCO2Li、CH3OLi、(ROCO2Li)2的形式存在于SEI膜中;小部分以Li單質形式存在于石墨空隙中。其中,Li2O,ROCO2Li和CH3OLi是水溶性的,而其他物質幾乎不溶于水。


濕法冶金的原理是基于廢鋰離子電池中的金屬能夠溶解于酸性、堿性溶液或其他溶劑,將金屬轉移至溶液中,進而采用過濾分離或離心分離的方式將石墨與其他金屬物質分開。濕法冶金高質量的回收石墨的同時還能高產量的回收有價金屬。濕法冶金過程操作溫度低,可有效回收負極中的鋰鹽,但是由于LiF等難溶鋰鹽的存在,該過程會消耗大量的強酸(硫酸,鹽酸)還會產生毒性更強的氫氟酸。因此采用濕法冶金回收的有效方案是將正極和負極回收合并,可以大大簡化回收流程,減少廢酸帶來的二次污染。濕法冶金具有低能耗、易操作、回收率高及環(huán)境風險低等優(yōu)勢,但其亦存在電解質和粘結劑殘留等問題。


4、濕法冶金和火法冶金結合回收


單純的濕法冶金存在一定問題,有研究者提出將濕法冶金和火法冶金結合。


火法冶金是將經過預處理后的廢電極粉末高溫處理,去除有機物的同時使粉末中金屬及其氧化物發(fā)生氧化還原反應得到合金和爐渣,是處理廢電池的常用方法之一。


濕法和火法相結合的方式回收廢鋰離子電池石墨負極,正負極混合粉末在5mol·L-1H2SO4和35%(w/w)H2O2條件下進行兩次浸出后過濾,得到的石墨濾餅與NaOH粉末在500℃下進行燒結,除去大部分雜質,并用去離子水洗滌和干燥后得到再生石墨。經過廢石墨、二次浸出石墨和再生石墨的電化學性能測試表明,二次浸出石墨中雜質較多,但是初始容量大于再生石墨的初始容量,可能是層間距被雜質擴展導致嵌鋰空間增加。而再生石墨的結構在回收過程中未被破壞,保持著理想的晶格,經過灰分測試雜質含量明顯減少,其容量(0.1C下377.3mAh·g-1)達到了再利用的要求。但循環(huán)性能(100次循環(huán)后容量保持率為84.63%),與商用石墨相比仍有待提高,但與純濕法冶金相比在相同的循環(huán)次數下容量保持率提高。但該方法存在回收率低(回收率約為60%)的問題,在燒結溫度低于石墨的分解溫度情況下,但仍有33%的石墨在融合過程中損失,此方法回收過程最大的石墨損失發(fā)生在這一階段。


5、電化學法回收


有研究者提出用電化學方法從鋰離子電池中回收了石墨及銅箔,并研究了各個參數(電壓,電極間距離和電解質濃度)對電解過程的影響。結果表明,在極距為10cm,Na2SO4電解液濃度為1.5g·L-1,電壓為30V的最適宜條件下,電解25min即可實現銅箔和石墨的完全分離。通過沉淀法還可進一步回收電解質中的Li+。但是,該方法中的石墨含有少量的粘合劑殘留物,這影響了其后續(xù)的再利用價值。


小結


目前,對于鋰離子電池負極材料回收仍然處于實驗研究階段,回收技術需要進一步優(yōu)化提高。雖然鋰離子電池負極材料回收利用具備了初步體系,但是距離真正商業(yè)化回收還有一段距離。隨著新能源市場的不斷擴大,鋰離子電池負極材料的回收利用是大勢所趨,路漫漫其修遠兮,仍需上下求索,相信未來鋰離子電池負極材料回收利用會在不斷創(chuàng)新中取得更多發(fā)展。


參考來源:

[1]劉東旭等.廢舊鋰離子電池負極材料再生和利用進展.化學工業(yè)與工程

[2]隆飛等.廢舊鋰離子電池負極材料回收利用研究進展.上海第二工業(yè)大學學報

[3]龍麗芬等.廢鋰離子電池石墨負極材料利用處理技術研究進展.儲能科學與技術


(中國粉體網編輯整理/文正)


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