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            廢舊鋰離子電池負(fù)極材料回收方法概覽


            來源:中國粉體網(wǎng)   文正

            [導(dǎo)讀]  對于鋰離子電池正極材料回收研究較多,并且取得了很多進(jìn)展,但鋰離子電池負(fù)極材料回收相對薄弱。隨著生態(tài)保護(hù)、節(jié)能減排等不斷深入,鋰離子電池負(fù)極材料回收利用也日益受到重視。

            中國粉體網(wǎng)訊  隨著消費(fèi)電子和新能源汽車等市場的不斷壯大,鋰離子電池應(yīng)用越來越廣泛。市場的壯大,將產(chǎn)生大量廢舊鋰電池。廢舊鋰電池丟棄會(huì)對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定危害。從環(huán)境保護(hù)和資源再生角度出發(fā),對廢舊鋰離子電池進(jìn)行回收利用,有很大的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。目前,對于鋰離子電池正極材料回收研究較多,并且取得了很多進(jìn)展,但鋰離子電池負(fù)極材料回收相對薄弱。隨著生態(tài)保護(hù)、節(jié)能減排等不斷深入,鋰離子電池負(fù)極材料回收利用也日益受到重視。根據(jù)當(dāng)前廢舊鋰離子電池負(fù)極材料回收方法的研究進(jìn)展,小編對幾種主流方法進(jìn)行了整理,以便讀者參考。




            1、浮選法回收


            浮選法是利用物質(zhì)本身的潤濕性差異,或者利用捕收劑、起泡劑和調(diào)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(fù)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(qiáng)、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(jìn)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(shù)下改性電極材料,再經(jīng)浮選分離,LiCoO2的回收率達(dá)到98.99%。此外,研究者還研究了研磨浮選技術(shù)。通過研磨使LiCoO2和石墨的潤濕性產(chǎn)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(jī)黏結(jié)劑,使LiCoO2的回收率從74.62%提高到93.89%。浮選法實(shí)現(xiàn)了LiCoO2正極和石墨負(fù)極材料的同時(shí)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(zhì),分選得到的石墨純度有待進(jìn)一步提高。


            2、熱處理回收


            鋰離子電池負(fù)極銅箔與活性物質(zhì)間存在黏合劑PVDF,熱處理法是將廢舊鋰離子電池負(fù)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(fù)極活性物質(zhì)石墨粉得以分離。


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


            3、濕法冶金回收


            廢舊負(fù)極中含有遠(yuǎn)高于環(huán)境豐度的鋰(30.07mg·g-1),它們大部分以無機(jī)物L(fēng)i2O、LiF、Li2CO3和有機(jī)物ROCO2Li、CH3OLi、(ROCO2Li)2的形式存在于SEI膜中;小部分以Li單質(zhì)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(zhì)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(zhuǎn)移至溶液中,進(jìn)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(zhì)分開。濕法冶金高質(zhì)量的回收石墨的同時(shí)還能高產(chǎn)量的回收有價(jià)金屬。濕法冶金過程操作溫度低,可有效回收負(fù)極中的鋰鹽,但是由于LiF等難溶鋰鹽的存在,該過程會(huì)消耗大量的強(qiáng)酸(硫酸,鹽酸)還會(huì)產(chǎn)生毒性更強(qiáng)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(fù)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(fēng)險(xiǎn)低等優(yōu)勢,但其亦存在電解質(zhì)和粘結(jié)劑殘留等問題。


            4、濕法冶金和火法冶金結(jié)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(jié)合。


            火法冶金是將經(jīng)過預(yù)處理后的廢電極粉末高溫處理,去除有機(jī)物的同時(shí)使粉末中金屬及其氧化物發(fā)生氧化還原反應(yīng)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(jié)合的方式回收廢鋰離子電池石墨負(fù)極,正負(fù)極混合粉末在5mol·L-1H2SO4和35%(w/w)H2O2條件下進(jìn)行兩次浸出后過濾,得到的石墨濾餅與NaOH粉末在500℃下進(jìn)行燒結(jié),除去大部分雜質(zhì),并用去離子水洗滌和干燥后得到再生石墨。經(jīng)過廢石墨、二次浸出石墨和再生石墨的電化學(xué)性能測試表明,二次浸出石墨中雜質(zhì)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(zhì)擴(kuò)展導(dǎo)致嵌鋰空間增加。而再生石墨的結(jié)構(gòu)在回收過程中未被破壞,保持著理想的晶格,經(jīng)過灰分測試雜質(zhì)含量明顯減少,其容量(0.1C下377.3mAh·g-1)達(dá)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(shù)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(jié)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(xué)法回收


            有研究者提出用電化學(xué)方法從鋰離子電池中回收了石墨及銅箔,并研究了各個(gè)參數(shù)(電壓,電極間距離和電解質(zhì)濃度)對電解過程的影響。結(jié)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(shí)現(xiàn)銅箔和石墨的完全分離。通過沉淀法還可進(jìn)一步回收電解質(zhì)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(jià)值。


            小結(jié)


            目前,對于鋰離子電池負(fù)極材料回收仍然處于實(shí)驗(yàn)研究階段,回收技術(shù)需要進(jìn)一步優(yōu)化提高。雖然鋰離子電池負(fù)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(kuò)大,鋰離子電池負(fù)極材料的回收利用是大勢所趨,路漫漫其修遠(yuǎn)兮,仍需上下求索,相信未來鋰離子電池負(fù)極材料回收利用會(huì)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(fù)極材料再生和利用進(jìn)展.化學(xué)工業(yè)與工程

            [2]隆飛等.廢舊鋰離子電池負(fù)極材料回收利用研究進(jìn)展.上海第二工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)

            [3]龍麗芬等.廢鋰離子電池石墨負(fù)極材料利用處理技術(shù)研究進(jìn)展.儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)


            (中國粉體網(wǎng)編輯整理/文正)

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            作者:文正

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