摘要
锂离子电池因其卓越的性能优势被广泛应用于便携式电子设备和新能源汽车上。然而，锂离子电池的寿命有限，导致短时间内废旧锂离子电池的数量急剧增长。如果废旧锂离子电池没有经过适当的处理随意丢弃，正极材料中的重金属元素会危害环境和人体健康。因此，废旧锂离子电池的回收具有重要意义。另一方面，回收正极材料中的重金属元素也能缓解当前资源紧缺的压力。火法冶金路线因其流程短、高效、易工业化等特点，已成为当下废旧锂离子电池正极材料的回收研究热点之一。本文采用还原焙烧法实现了废旧锂离子电池中的正极材料的回收和再生,y一共分为三部分:碳热还原回收废旧LiCoO2、硫酸铵焙烧回收废旧LiCoO2和硫酸铵焙烧回收废旧LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2。主要研究内容如下: (1)碳热还原法是利用负极石墨的还原性将LiCoO2转化为Co/CoO和Li2CO3从而达到回收的目的。首先将预处理后的电极材料在400℃真空热解1h将电极活性物质与集流体分离。再采用单因素实验，研究了碳热还原-水浸过程中焙烧温度、反应物质量比、焙烧时间和固液比对Li和Co回收率的影响，得到的最佳工艺条件为:焙烧温度700℃,焙烧时间45min,质量比∶m(热解粉末)∶m(C)=5∶1,固液比25g/L,基于此条件，Li和Co的回收率分别为93.2％和99％。最后，利用回收的CoO和Li2CO3再生LiCoO2,该LiCoO2在1C时的比容量为145mAh/g,并在100圈循环后保留了93.4％的初始容量。 (2)硫酸铵焙烧工艺将废旧LiCoO2中的Li和Co转变为Li2SO4和CoSO4,再通过化学沉淀-高温固相煅烧的方法达到了回收再利用的目的。首先采用单因素实验,研究了硫酸铵焙烧-水浸过程中焙烧温度、焙烧气氛、反应物比例和焙烧时间对热解粉末中金属元素回收率的影响，得到的最佳工艺条件为:焙烧温度400℃,Ar气氛，质量比:m((NH4)2SO4)∶m(热解粉末)=4∶1,焙烧时间2h,基于此条件，Li和Co的回收率分别为98.2％和98.6％。最后将沉淀得到的Co(OH)2和Li2CO3用于再生LiCoO2,该LiCoO2在1C时提供了超过154mAh/g的比容量，且在100圈循环后的容量保持率为94％。 (3)硫酸铵焙烧回收废旧LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2是一种低温火法冶金方法，能破坏LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2中的晶体结构并将金属元素转化为相应的水溶性的硫酸盐。首先采用单因素实验，研究了硫酸铵焙烧-水浸过程中焙烧温度、焙烧气氛、反应物比例和焙烧时间对LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2中金属元素回收率的影响，得到的最佳工艺条件为:焙烧温度350℃,焙烧气氛为空气，质量比:m((NH4)2SO4)∶m(LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2)=4∶1,焙烧时间2h,基于此条件，Li、Ni、Co和Mn的回收率分别为99.2％、99.4％、98.8％和98.5％。此外，经热力学分析发现只有在300℃以上才可以实现液相辅助的快速焙烧动力学。最后，将沉淀得到的Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2和Li2CO3用于再生再生的LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2在0.5C时的放电比容量高达160mAh/g,同时在100圈循环后的容量保持率达到了94％。
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