CN112093787B - 一种锂电池回收制备橄榄石型五元高熵锂电前驱体的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于锂电池回收再利用领域,特别涉及一种退役锂电池回收制备橄榄石型五元高熵锂电前驱体材料的方法,包括将退役镍钴锰三元和铁锂极片在空气气氛下进行混合焙烧;得到的极片在稀酸中通入空气反应,得到第一滤液和滤渣;将滤渣加入磷酸,双氧水溶液溶解,调节溶液中金属离子浓度后调节溶液pH,反应生成橄榄石型五元高熵锂电材料前驱体;得到的前驱体浆料洗涤过滤、洗涤、干燥,焙烧得到五元高熵锂电材料前驱体;该方法通过统一回收处理退役镍钴锰三元和磷酸铁锂正极片,大大简化了退役锂电池材料回收流程,制备出的橄榄石型五元高熵锂电前驱体材料容量较高,高温性能稳定,容量衰减较慢。
Description
技术领域
本发明属于锂电池回收再利用领域,特别涉及一种由退役锂电池正极片制备橄榄石型五元高熵锂电前驱体材料的方法。
背景技术
近年来,随着新能源汽车不断得到重视和发展,替代传统汽车已经成为必然的趋势。新能源汽车创造绿色出行的同时,也带来相应的难题,作为新能源汽车“心脏”的锂离子动力电池的寿命只有平均5年,而到2020年,我国电动汽车动力电池累计报废量将达12万-17万吨的规模。而由于锂离子动力电池复杂的结构,回收的高成本,工艺的不完善,回收利用一直处于低迷状态。
目前酸溶法是主要的回收磷酸铁锂中有价金属材料的方法之一,如专利201710657055.3 公开了一种废旧磷酸铁锂正极材料的回收方法,将去除有机物的铁锂粉末用硫酸浸出后调节溶液pH得到磷酸铁,继续调节溶液pH后加入碳酸钠生成碳酸锂;退役三元材料主要通过回收再生制备三元正极材料得以利用,如专利CN107419096B,将三元废料过无机酸酸浸出,除铜铝铁后,碱性条件共沉得到三元材料前驱体并与碳酸锂球磨后煅烧制成再生三元正极材料。虽然目前退役三元和铁锂单独回收工艺较为成熟,但是由于两种材料回收工艺相差悬殊,无法做到统一回收,工艺流程和设备较为复杂,回收成本较高。
在目前的锂离子动力电池正极材料主要以三元和磷酸铁锂为主,而以磷酸根为主的橄榄石结构的正极材料因其具有安全性能高、原料丰富、成本较低等优点,被认为是目前最有应用前景的锂离子动力电池正极材料,然而较低的容量和容量衰减较快限制了其大规模的应用,目前橄榄石结构正极材料的代表是磷酸铁锂,一般通过碳包覆或者离子掺杂等改性方法,但是依然解决不了容量密度低等问题。而三元材料目前虽然因其超高的容量和倍率性能得到广泛应用,但是制备成本较高,安全性能差一直是需要进一步解决的问题。
因此,现有退役锂电池统一回收技术和正极材料的制备技术都有很大的改进优化空间。
发明内容
鉴于上述现有技术存在的不足,本发明解决了目前退役三元和磷酸铁锂电池正极片中金属统一回收困难,传统锂电材料容量较低,容量衰减较快等问题。本发明以制备橄榄石型五元高熵锂电材料的方式解决了回收过程工艺复杂的问题,以期达到提高三元材料的安全性和磷酸铁锂的能量密度的目的。即在合适浓度和合适浓度稀酸或者弱酸水溶液中加入焙烧过后的退役镍钴锰三元和铁锂正极片,通过通入空气氧化反应后选择性提取锂离子,然后将得到的固渣用磷酸溶解后控制溶液中的各个金属离子的浓度以及溶液pH后得到橄榄石型五元高熵锂电材料前驱体。此方法大大简化了退役锂电池材料回收流程,制备出的橄榄石型五元高熵锂电前驱体材料容量较高,高温性能稳定,容量衰减较慢。
具体的,本发明提供了一种退役锂电池回收制备橄榄石型五元高熵锂电前驱体材料的方法,包括以下步骤:
(1)将退役镍钴锰三元锂电材料和退役铁锂锂电材料正极片在空气气氛下进行混合焙烧,得到去除有机物和碳的正极材料;
(2)将步骤(1)中得到的正极片在稀酸中通入空气反应,得到第一滤液和滤渣;
(3)将步骤(2)中得到的滤渣加入磷酸,双氧水溶液溶解得到第二滤液,调节第二滤液中金属离子浓度后用氢氧化钠和络合剂调节溶液pH,反应生成五元高熵锂电材料前驱体;
(4)将步骤(3)中得到的前驱体浆料洗涤过滤、洗涤、干燥,焙烧得到橄榄石结构五元高熵锂电材料前驱体。
优选的,步骤(1)中焙烧温度为450-700℃,优选600-700℃;恒温时间为1-3h,优选1-2h。
优选的,步骤(1)中退役镍钴锰三元和铁锂锂电材料极片的用量质量比为1:2-1:4。
优选的,步骤(2)中酸为硫酸,醋酸,次氯酸中的一种或者几种。
优选的,步骤(2)中稀酸中氢离子浓度为0.5-4mol/L,优选1.5-4mol/L。
优选的,步骤(2)中极片与稀酸固液质量体积比为150-500g/L,优选200-400g/L。
优选的,步骤(2)中空气流速为0.018-0.20m3/h,优选0.08-0.20m3/h。
优选的,步骤(2)中反应温度为70-150℃,优选70-85℃;反应时间为4-8h,优选4-6h。
优选的,步骤(3)中磷酸加入的质量为三元和铁锂极片总质量的15-40%,优选15-30%。
优选的,步骤(3)中磷酸溶液的浓度为30-60g/L,优选40-50g/L。
优选的,步骤(3)中质量分数为30%双氧水加入质量为极片质量的20-50%,优选20-30%。
优选的,步骤(3)中磷酸溶解和反应温度为50-90℃,优选75-90℃;反应时间为3-5h,优选3-4h。
优选的,步骤(3)中溶液调节后c(Fe3+):c(Al3+):c(Ni2+):c(Co2+):c(Mn2+)五种金属离子摩尔比为0.98-1.0:0.98-1.0:0.98-1.0:0.98-1.0:0.98-1.0。
优选的,步骤(3)中调节后溶液pH在2.0-5.0之间,优选3.0-4.0。
优选的,步骤(3)中络合剂为硫酸铵,氯化铵,柠檬酸氨中的一种或者几种,用量为五元盐n(Fe3++Al3++Ni2++Co2++Mn2+)总量的20-40%,优选20-30%。
优选的,步骤(4)中焙烧温度为450-750℃,优选450-600℃;焙烧时间为2-5h,优选2-3h。
本发明优点在于:
(1)本发明统一回收再利用了退役镍钴锰三元和磷酸铁锂电池正极材料中有价金属和酸根离子,将镍,钴,锰,铁,铝,磷酸根离子以橄榄石型五元高熵锂电前驱体材料的方式加以回收利用,回收工艺简化,回收成本降低。
(2)本发明将焙烧后的退役三元和磷酸铁锂极片在稀酸和空气的作用下统一选择性的浸出锂离子,且浸出液中其他金属离子含量达到ppm级别,有利于后续对锂离子的提取纯化过程。
(3)本发明制备的橄榄石型五元高熵锂电前驱体材料,材料中五种金属离子摩尔含量接近,突破了以一种或者两三种金属元素为主的传统锂电材料的设计理念。多主元的混合产生的高熵效应能够使得锂电材料的热稳定性能和循环性能有效提高,而橄榄石结构的材料特性能让材料的安全性能得到较大的提升。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是实施例1中橄榄石型五元高熵锂电前驱体材料的电镜图。
图2是实施例1中橄榄石型五元高熵锂电前驱体材料的XRD图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。所描述的实施例及其结果仅用于说明本发明,而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
实施例1
(1)分别取100g退役镍钴锰三元和200g退役铁锂正极片在450℃进行3h的焙烧实验,得到去除有机物和碳的正极材料;
(2)将步骤(1)中得到的正极片加入到硫酸浓度为0.5mol/L的硫酸溶液中,稀硫酸溶液体积为2L,空气匀速通入量为0.20m3/h,反应溶液温度为70℃,反应时间为6h;
(3)将步骤(2)中得到的滤渣过滤洗涤后,加入1.5L磷酸浓度为30g/L的磷酸溶液中,加入30%双氧水60g,反应温度为50℃,反应5h后调节溶液中五种离子的浓度,使得c(Fe3+): c(Al3+):c(Ni2+):c(Co2+):c(Mn2+)=1.0:1.0:1.0:1.0:1.0,用氢氧化钠和20%五元盐n (Fe3++Al3++Ni2++Co2++Mn2+)总摩尔量的硫酸铵调节溶液的pH为4.0,继续反应3h,溶液温度为50℃,反应得到磷酸镍钴锰铁铝高熵锂电前驱体材料;
(4)将步骤(3)得到的前驱体浆料洗涤过滤、洗涤、干燥后在450℃下空气焙烧5h得到橄榄石结构五元高熵锂电前驱体材料。实施例1橄榄石型五元高熵锂电前驱体材料的电镜图见附图1;实施例1中橄榄石型五元高熵锂电前驱体材料的XRD图见附图2。
实施例2
(1)分别取60g退役镍钴锰三元和240g退役铁锂正极片在700℃进行1h的焙烧实验,得到去除有机物和碳的正极材料;
(2)将步骤(1)中得到的正极片加入到盐酸浓度为4.0mol/L的醋酸溶液中,稀醋酸溶液体积为0.6L,空气匀速通入量为0.10m3/h,反应溶液温度为150℃,反应时间为4h;
(3)将步骤(2)中得到的滤渣过滤洗涤后,加入2.0L磷酸浓度为60g/L的磷酸溶液中,加入30%双氧水150g,反应温度为90℃,反应3h后调节溶液中五种离子的浓度,使得c(Fe3+): c(Al3+):c(Ni2+):c(Co2+):c(Mn2+)=0.98:1.0:1.0:1.0:1.0,用氢氧化钠和40%五元盐n (Fe3++Al3++Ni2++Co2++Mn2+)总摩尔量的氯化氨调节溶液的pH为2.0,继续反应3h,溶液温度为90℃,反应得到磷酸镍钴锰铁铝高熵锂电前驱体材料;
(4)将步骤(3)得到的前驱体浆料洗涤过滤、洗涤、干燥后在750℃下空气焙烧2h得到橄榄石结构五元高熵锂电前驱体材料。
实施例3
(1)分别取75g退役镍钴锰三元和225g退役铁锂正极片在600℃进行2h的焙烧实验,得到去除有机物和碳的正极材料;
(2)将步骤(1)中得到的正极片加入到次氯酸浓度为4.0mol/L的次氯酸溶液中,稀次氯酸溶液体积为0.6L,空气匀速通入量为0.018m3/h,反应溶液温度为80℃,反应时间为6h;
(3)将步骤(2)中得到的滤渣过滤洗涤后,加入2.2L磷酸浓度为40g/L的磷酸溶液中,加入加入30%双氧水100g反应温度为80℃,反应2h后调节溶液中五种离子的浓度,使得c(Fe3+): c(Al3+):c(Ni2+):c(Co2+):c(Mn2+)=0.98:0.99:1.0:1.0:1.0,用氢氧化钠和五元盐n (Fe3++Al3++Ni2++Co2++Mn2+)总摩尔量30%的柠檬酸氨调节溶液的pH为5.0,继续反应3h,溶液温度为90℃,反应得到磷酸镍钴锰铁铝高熵锂电前驱体材料;
(4)将步骤(3)得到的前驱体浆料洗涤过滤、洗涤、干燥后在550℃下空气焙烧3h得到橄榄石结构五元高熵锂电前驱体材料。
实施例4
(1)分别取100g退役镍钴锰三元和200g退役铁锂正极片在600℃进行2.5h的焙烧实验,得到去除有机物和碳的正极材料;
(2)将步骤(1)中得到的正极片加入到硫酸浓度为1.5mol/L的硫酸溶液中,稀硫酸溶液体积为0.75L,空气匀速通入量为0.075m3/h,反应溶液温度为85℃,反应时间为5h;
(3)将步骤(2)中得到的滤渣过滤洗涤后,加入1.8L磷酸浓度为50g/L的磷酸溶液中,加入30%双氧水80g反应温度为75℃,反应2.5h后调节溶液中五种离子的浓度,使得c(Fe3+): c(Al3+):c(Ni2+):c(Co2+):c(Mn2+)=1.0:1.0:1.0:1.0:1.0,用氢氧化钠和和五元盐n (Fe3++Al3++Ni2++Co2++Mn2+)总摩尔量35%的硫酸铵调节溶液的pH为3.0,继续反应4h,溶液温度为75℃,反应得到磷酸镍钴锰铁铝高熵锂电前驱体材料;
(4)将步骤(3)得到的前驱体浆料洗涤过滤、洗涤、干燥后在650℃下空气焙烧2.5h得到橄榄石结构五元高熵锂电前驱体材料。
实施例5
(1)分别取100g退役镍钴锰三元和200g退役铁锂正极片在650℃进行2.5h的焙烧实验,得到去除有机物和碳的正极材料;
(2)将步骤(1)中得到的正极片加入到硫酸浓度为1.8mol/L的硫酸溶液中,稀硫酸溶液体积为0.80L,空气匀速通入量为0.08m3/h,反应溶液温度为85℃,反应时间为4h;
(3)将步骤(2)中得到的滤渣过滤洗涤后,加入2.25L磷酸浓度为40g/L的磷酸溶液中,加入30%双氧水70g反应温度为75℃,反应2.5h后调节溶液中五种离子的浓度,使得c(Fe3+): c(Al3+):c(Ni2+):c(Co2+):c(Mn2+)=1.0:1.0:1.0:0.99:0.99,用氢氧化钠和和五元盐n (Fe3++Al3++Ni2++Co2++Mn2+)总摩尔量20%的硫酸铵调节溶液的pH为4.5,继续反应4h,溶液温度为75℃,反应得到磷酸镍钴锰铁铝高熵锂电前驱体材料;
(4)将步骤(3)得到的前驱体浆料洗涤过滤、洗涤、干燥后在500℃下空气焙烧4.5h得到橄榄石结构五元高熵锂电前驱体材料。
对比例1
对比例1与实施例1的区别在于:对比例1步骤(3)调节溶液的pH为1.5,其余条件都和实施例1相同。
结果显示,当步骤(3)调节溶液的pH小于1.5时,尽管其他条件都和实施例1相同,由于溶液处于过酸状态下,部分金属元素以离子的状态纯在溶液中,导致离子回收率下降的同时高熵材料的纯度下降,使得循环稳定性大幅降低;说明pH对反应效果有显著的影响。
对比例2
对比例2与实施例1的区别在于:对比例2步骤(2)将步骤(1)中得到的正极片加入到硫酸浓度为0.4mol/L的硫酸溶液中,其余条件都和实施例1相同。
结果显示,当步骤(2)硫酸溶液浓度低于0.4mol/L时,有部分的锂离子无法选择性的浸出,一方面降低锂离子的回收率,更使得高熵材料中含有锂杂质,高熵材料的容量难以得到保证,说明步骤(2)稀酸溶液浓度对反应效果有显著的影响。
对比例3
对比例3与实施例1的区别在于:对比例3步骤(2)反应温度为50℃,其余条件都和实施例1相同。
结果显示,当步骤(2)反应温度低于50℃时,有部分的锂离子无法选择性的浸出,一方面降低锂离子的回收率,更使得高熵材料中含有锂杂质,高熵材料的容量难以得到保证,说明步骤(2)温度对反应效果有显著的影响。
对比例4
对比例4与实施例1的区别在于:对比例4步骤(3)调节溶液中五种离子的浓度,使得 c(Fe3+):c(Al3+):c(Ni2+):c(Co2+):c(Mn2+)=1.5:1.0:1.0:1.0:1.0,其余条件都和实施例1相同。
结果显示,c(Fe3+):c(Al3+):c(Ni2+):c(Co2+):c(Mn2+)五种金属离子摩尔比对回收制备的锂电材料的性能有显著的影响,材料中五种金属离子摩尔含量接近时,多主元的混合产生的高熵效应才能够使得锂电材料的热稳定性能和循环性能有效提高。
实施例6
实施例1-5、对比例1-4由退役锂电池正极片制备成五元高熵锂电材料的性能分析见表1。用C17011000134电芯测试充放电测试系统(中国台湾省产)进行充放电测试,电压为2.5~4.2V,环境温度为25℃和55℃,倍率性能充放电电流为0.2C。
表1由退役锂电池正极片制备成五元高熵锂电材料的性能分析
以上所述仅是对所申请专利的具体实施方法,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本申请专利原理的条件下,还可以进行若干的修改和补充,这些修改和补充也应该在本申请的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种退役锂电池回收制备橄榄石型五元高熵锂电前驱体材料的方法,包括以下步骤:
(1)将退役镍钴锰三元锂电材料和退役铁锂电材料正极片在空气气氛下进行混合焙烧,得到去除有机物和碳的正极片;
(2)将步骤(1)中得到的正极片在稀酸中通入空气反应,得到第一滤液和滤渣;
(3)将步骤(2)中得到的滤渣加入磷酸,双氧水溶液溶解得到第二滤液,调节第二滤液中金属离子浓度后用氢氧化钠和络合剂调节溶液pH,反应生成五元高熵锂电材料前驱体;
(4)将步骤(3)中得到的前驱体浆料洗涤过滤、洗涤、干燥,焙烧得到橄榄石结构五元高熵锂电材料前驱体;
步骤(2)中酸为硫酸,醋酸,次氯酸中的一种或者几种;
步骤(2)中稀酸中氢离子浓度为0.5-4mol/L;
步骤(2)中反应温度为70-150℃;
步骤(3)中调节后溶液pH在2.0-5.0之间;
步骤(3)中溶液调节后c(Fe3+):c(Al3+):c(Ni2+):c(Co2+):c(Mn2+)五种金属离子摩尔比为0.98-1.0:0.98-1.0:0.98-1.0:0.98-1.0:0.98-1.0。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤(1)中焙烧温度为450-700℃,恒温时间为1-3h。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤(1)中退役镍钴锰三元和铁锂电材料极片的用量质量比为1:2-1:4。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤(2)选自以下特征的一个或多个:
步骤(2)中极片与稀酸固液质量体积比为150-500g/L;
步骤(2)中空气流速为0.018-0.20m3/h。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤(2)中反应时间为4-8h。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤(3)选自以下特征的一个或多个:
步骤(3)中磷酸加入的质量为三元和铁锂极片总质量的15-40%;
步骤(3)中磷酸溶液的浓度为30-60g/L;
步骤(3)中质量分数为30%双氧水加入质量为极片质量的20-50%。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤(3)中磷酸溶解和反应温度为50-90℃,反应时间为3-5h。
8.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤(3)中络合剂为硫酸铵,氯化铵,柠檬酸氨中的一种或者几种,用量为五元盐n(Fe3++Al3++Ni2++Co2++Mn2+)总量的20-40%。
9.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤(4)中焙烧温度为450-750℃,焙烧时间为2-5h。
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