本文關(guān)鍵詞：基于氨—銨鹽體系選擇性浸出的動(dòng)力電池正極廢料回收的基礎(chǔ)研究　出處：《中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所)》2017年碩士論文　論文類(lèi)型：學(xué)位論文

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【摘要】：近年來(lái),隨著鋰離子電池在消費(fèi)電子產(chǎn)品和電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域應(yīng)用的快速增長(zhǎng),導(dǎo)致了資源需求的增加。因此,回收廢舊鋰離子電池不僅能夠消除有害組分對(duì)環(huán)境的污染還能避免資源的短缺。本論文主要針對(duì)廢鋰離子電池正極廢料中有價(jià)金屬Li、Co和Ni的回收,系統(tǒng)開(kāi)展了氨-銨鹽體系選擇性浸出正極廢料中有價(jià)金屬Li、Co和Ni的研究,重點(diǎn)包括氨-硫酸銨體系選擇性浸出LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正極材料的機(jī)理、浸出過(guò)程工藝的優(yōu)化、浸出過(guò)程動(dòng)力學(xué)以及氨-銨鹽體系選擇性浸出廢鋰離子電池實(shí)際物料過(guò)程工藝的優(yōu)化等研究。主要研究?jī)?nèi)容如下:(1)采用SEM、EDS、以及XPS等表征技術(shù),系統(tǒng)表征了鋰離子電池生產(chǎn)廢料、廢鋰離子電池拆解得到的正極材料以及廢鋰離子電池破碎得到的實(shí)際物料。分析發(fā)現(xiàn),相比于生產(chǎn)廢料,由于充放電過(guò)程中Li離子的嵌入/脫出,導(dǎo)致循環(huán)后的廢鋰離子電池正極材料處于欠鋰狀態(tài),材料顆粒結(jié)構(gòu)破壞。XPS的分析還發(fā)現(xiàn),鋰離子的脫出還導(dǎo)致LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2中Ni離子發(fā)生氧化,價(jià)態(tài)升高。(2)通過(guò)SEM、EDS、XRD以及XPS分析氨-硫酸銨體系浸出LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正極材料過(guò)程機(jī)理,發(fā)現(xiàn)浸出過(guò)程中由于還原反應(yīng)導(dǎo)致M-O-M鍵的斷裂,層狀結(jié)構(gòu)得到破壞。3a位置的Li以Li+形式進(jìn)入溶液中,3b位置的過(guò)渡金屬M(fèi)(Ni、Co、Mn)以Ni(NH3)2+、Co(NH3)m2+以及Mn(NH3)i2+配合物形式存在于溶液中,最終不穩(wěn)定的Mn(NH3)i2++結(jié)合溶液中的陰離子SO32-生成(NH4)Mn(SO3)2 ·H2O沉淀。(3)系統(tǒng)開(kāi)展了氨-硫酸銨體系選擇性浸出LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正極材料的工藝優(yōu)化,得到最佳工藝。氨水濃度4 mol·L-1,硫酸銨濃度1.5 mol L-1,亞硫酸鈉濃度0.5 mol·L-1,攪拌速率500 rpm,固液比10 g·L-1,反應(yīng)溫度353 K,浸出時(shí)間300 min下,Li、Ni、Co和Mn的浸出率分別為95.3%、89.8%、80.7%和4.3%配合工藝研究,對(duì)浸出過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)研究,結(jié)果表明浸出過(guò)程遵循"未反應(yīng)收縮核模型",實(shí)驗(yàn)條件下Li、Ni和Co的浸出反應(yīng)的表觀活化能分別為83.30 kJ·mol-1、77.93 kJ mol-1和87.92kJ·mol-1,推斷浸出反應(yīng)為界面化學(xué)反應(yīng)控制。(4)針對(duì)實(shí)際物料,系統(tǒng)開(kāi)展了氨-碳酸銨-亞硫酸銨體系高效浸出Li、Ni和Co元素的工藝優(yōu)化,得到最佳工藝。在最佳條件為氨水濃度1 mol·L-1,碳酸銨濃度1 mol·L-1,亞硫酸銨濃度0.5 mol·L-1,固液比100 g·L-1,反應(yīng)溫度353 K,浸出時(shí)間180 min下,Li、Ni和Co的浸出率分別為75.1%、81.6%和81.9%,Cu的浸出率達(dá)到99%,而Al、Fe和Mn的浸出率均低于1%,有價(jià)金屬的浸出選擇性為94.64%。
[Abstract]:In recent years, with the rapid growth of lithium-ion batteries in consumer electronics and electric vehicles, the demand for resources has increased. The recovery of waste lithium ion battery can not only eliminate the pollution of harmful components to the environment but also avoid the shortage of resources. This paper mainly focuses on the recovery of valuable metals Li-Co and Ni from the waste lithium ion battery cathode waste. The selective leaching of valuable metals Li-Co and Ni from positive electrode waste by ammonia-ammonium salt system was carried out systematically. The mechanism of selective leaching of LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 cathode materials and the optimization of leaching process were emphasized. The kinetics of leaching process and the optimization of practical material process for selective leaching of waste lithium-ion batteries in ammonia-ammonium salt system were studied. The main research contents are as follows: 1) SEMEDS is used. XPS and other characterization techniques, the system characterized the lithium ion battery production waste, waste lithium ion battery decomposition of the cathode materials and waste lithium ion battery broken actual materials. Compared with the waste materials, due to the intercalation / release of Li ions during charge and discharge, the cathode materials of waste lithium ion batteries are in the state of underlithium after cycling, and the analysis of particle structure damage. XPS also found. The removal of lithium ions also leads to the oxidation of Ni ions in LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2, the valence of which is increased. XRD and XPS were used to analyze the mechanism of leaching of LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 cathode materials in ammonia-ammonium sulfate system. It is found that during the leaching process the M-O-M bond is broken due to the reduction reaction, and the layer structure of Li at the position of. 3a is broken into the solution in the form of Li in the form of Li, and the transition metal (Mni) Co at the position of 3b is obtained. Mn) exists in the solution in the form of Ni(NH3)2 and Mn(NH3)i2 complex. Anion SO32- formation of NH _ 4H _ 4mn _ 2SO _ 3H _ 2O precipitated in the final unstable Mn(NH3)i2 binding solution. The process optimization of selective leaching of LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 cathode materials by ammonia ammonium sulfate system was carried out systematically. The optimum conditions were as follows: ammonia water concentration 4 mol 路L -1, ammonium sulfate concentration 1.5 mol L -1, sodium sulfite concentration 0.5 mol 路L -1, stirring rate 500 rpm. Under the conditions of solid-liquid ratio of 10 g 路L -1, reaction temperature of 353 K and leaching time of 300 min, the leaching rates of Li Li Ni Co and mn were 95.3% and 89.8%, respectively. The kinetics of the leaching process was studied with 80.7% and 4.3%. The results showed that the leaching process followed the "unreacted shrinking nucleus model" and Li was used in the experiment. The apparent activation energies of leaching reaction of Ni and Co are 83.30 kJ 路mol -1 mol-1 and 87.92 kJ 路mol-1, respectively. It is inferred that the leaching reaction is the control of interfacial chemical reaction. (4) aiming at the actual materials, the process optimization of high-efficiency leaching of Li-Ni and Co in the system of ammonia-ammonium carbonate and ammonium sulfite has been carried out systematically. The optimum conditions were as follows: ammonia concentration 1 mol 路L -1, ammonium carbonate concentration 1 mol 路L -1, ammonium sulfite concentration 0.5 mol 路L -1. The ratio of solid to liquid is 100g 路L ~ (-1), the reaction temperature is 353K, and the leaching time is 180 min. The leaching rates of Ni and Co are 75.1g 路L ~ (-1), 81.6% and 81.9% respectively. The leaching rate of Cu is 99%, while the leaching rate of Alnife and mn is lower than 1. The leaching selectivity of valuable metal is 94.64 4.
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：X705;TF803.21

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本文編號(hào)：1431092