摘要
在“碳达峰碳中和”战略目标下，新能源产业受到国家政策的大力扶持，我国锂电新能源产业迅猛发展，作为新能源汽车核心部件的锂离子电池的产量及报废量持续增加。废旧三元锂电池含大量的有价金属和危险废物，对其综合回收利用兼具经济和环境效益。针对现阶段传统火法工艺存在能耗高、锂损失率大、污染重等缺点，而常规湿法工艺亦存在流程长、净化工序复杂、锂综合回收率低、废水量大等问题。基于此，本文以典型的LiNi0.815Co0.15Al0.035O2(NCA)、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(NCM)三元正极材料为原料，采用“选择性焙烧转型-水浸”法对废旧锂电池中有价金属进行回收，并制备出锂电池正极材料，从而实现废旧锂电池循环利用。主要研究结果如下： (1)采用碳还原焙烧选择性提锂工艺处理NCA物料，在碳含量为15.0%、温度700℃、焙烧时间90min的条件下，Li、Ni、Co、Al的提取率分别为97.8%、0.45%、0.36%、0.75%;采用氢还原焙烧选择性提锂工艺处理NCA物料，在焙烧时间为90min、氢气流速300mL/min、焙烧温度500℃的条件下，Li和Al的提取率分别为98.0%、10.0%，而Ni、Co提取率均小于0.5%；硫酸铵焙烧转型处理NCA物料，在焙烧温度975℃，时间90min、硫酸铵与电池原料的摩尔比为1.2:1.0的条件下，Li、Ni、Co、Al的提取率分别为97.0%、0.5%、0.8%和1.2%；采用铝-碳协同选择性提锂工艺处理NCM物料，在碳含量14.7%、铝含量7.0%、焙烧温度650℃、时间90min的条件下，Li的提取率达到97.0%，而Ni、Co、Mn和Al的提取率＜1%，可实现锂的高效选择性提取。铝-碳协同还原的工艺能利用原料本身碳、铝实现锂电池的高效、经济回收，具有较大工业应用潜力。 (2)废旧锂电池优先提锂渣富含镍、钴、铝、锰，具有较大回收价值，但这些金属大多以难处理的金属单质或氧化物存在，综合利用难度较大。为此，本研究采用分步浸出工艺处理优先提锂渣。一段氢氧化钠除铝工艺，在NaOH浓度2mol/L、L/S=30mL/g、浸出时间70min、温度90℃的条件下，99%以上的铝可通过碱浸除去，而Ni、Co和Mn的浸出率小于0.5%，碱浸可实现铝的选择性除杂；除铝后，在H2SO4浓度为2mol/L、H2O2浓度为1.24mol/L、液固比10mL/g、浸出温度50℃、浸出时间70min的条件下处理富Ni、Co和Mn渣，Ni、Co和Mn的提取率分别为99.0%、99.0%、98.5%，实现废旧锂电池中有价金属的综合回收利用。 (3)优先提锂的浸出液中杂质较少，可制备出纯度在99.5%以上的碳酸锂，与三元前驱体混合煅烧可制备成LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料，制备的正极材料首次放电比容量为165mAh/g，首次充放电的效率达到91.7%，通过在1C的倍率下进行100圈循环后，容量保持率为88.4%，而在不同的倍率循环下进行充放电测试和CV测试，可得出此正极材料具有良好倍率循环性能和结构稳定性。
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