关键词：废旧锂离子电池;;有价金属;;机械活化;;机械还原;;酸浸;;浸出动力学
摘 要：由于锂离子电池具有寿命长、高低温适应性强、重量轻、能量密度高等优点而被广泛地应用于电子设备中,因而产生大量废旧锂离子电池。鉴于锂离子电池中的组成成分,若不合理处置,将会对人类及环境造成严重的危害。因此,在资源回收再利用及环境保护意义上来说,回收废旧锂离子电池中的有价金属是需要的。本课题研究了机械活化LiCoO_2强化酸法浸出体系,以及添加还原剂活性炭对LiCoO_2样品进行机械还原强化酸法浸出体系。在机械活化LiCoO_2强化酸法浸出体系中,研究了活化过程的单因素(活化时间、转速、球料比)对浸出率的影响。通过对未活化和活化后的样品进行SEM、XRD等表征,提出了机械活化机制。结果表明:机械活化过程能够提高金属的浸出率,且LiCoO_2中Co和Li的浸出率随着球磨时间、转速、球料比的增大而提高。在浸出过程中,Co和Li的浸出率随H_2SO_4浓度的升高而增大,随固液比的增大而减小。并且,通过单因素实验,得出LiCoO_2中Co和Li能够在无需加热、1 M H_2SO_4的条件下便可实现高效浸出。浸出动力学分析结果表明:在等长的浸出时间内,未球磨样品的浸出反应阶段处于表面化学反应控制阶段(固液反应的第一阶段),而球磨样品的浸出反应阶段在很短的时间内便结束了化学表面反应阶段,进入扩散反应阶段。因此,机械活化后的样品比未活化样品的浸出速率要快。最终,通过机械活化处理废旧锂离子电池中LiCoO_2材料,结果指出,Co和Li的浸出率分别达到93.4%和100%。该体系研究出了一种能够在无需加热、低浓度酸的温和条件下就能够实现金属的高效回收工艺。为了探索在机械球磨过程中加入还原剂是否有同样的浸出效率,并且,由于活性炭具有还原性,价格便宜,实验成本低。在该实验体系中,通过加入还原剂活性炭对LiCoO_2样品进行机械还原强化酸法浸出,同样对活化过程的单因素(活化时间、转速)进行了研究。结合SEM、BET、XRD、XPS等表征,综合得出:LiCoO_2受到机械力的作用,其表面形貌和晶体结构受到破坏,LiCoO_2嵌入到活性炭中,粒度增大,比表面积减小,从而使得将样品加入到浸出液后,LiCoO_2和活性炭能迅速接触发生氧化还原反应。通过对浸出过程的单因素(H_2SO_4浓度、固液比)进行实验,同样得出:Co和Li的浸出率随H_2SO_4浓度的升高而增大。但是,浸出率随固液比的增大而减小。通过单因素实验,得出该体系也能够在无需加热和1 M H_2SO_4的条件下进行。浸出动力学研究表明:机械还原LiCoO_2后,浸出反应速率控制步骤很快进入后期的扩散反应阶段。同样说明:机械还原样品能够加快浸出速率。最后,用废旧锂离子电池中的LiCoO_2材料进行验证实验,Co和Li的浸出率分别为81.7%和73.2%。虽然没有能达到如上一体系中的浸出率,但该体系是机械还原提高金属浸出率研究方向的一个创新,同样能够在无需加热的条件下进行,是一种温和、环保、高效的技术。
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