CN115216620A - 一种从废旧三元锂电池中分步沉淀回收镍、钴和锰的方法 - Google Patents
一种从废旧三元锂电池中分步沉淀回收镍、钴和锰的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种从废旧三元锂电池中分步沉淀回收镍、钴和锰的方法,包括如下步骤:1)预处理:将废旧三元锂电池正负极粉末煅烧备用;2)配置镍钴锰浸出液:将氢键供体、氢键受体及稀释剂配置成镍钴锰浸出溶液备用;3)锂分离处理:将煅烧后的粉末加水进行浸出,浸出完成后进行第一次过滤得到的滤液为碳酸锂溶液;4)镍钴锰分离处理:将第一次过滤得到的滤渣与镍钴锰浸出溶液混合进行反应,反应完成后进行第二次过滤得到镍化合物;将第二次过滤得到的滤液加钴沉淀剂沉淀反应后进行第三次过滤得到钴化合物和锰化合物。本发明实现锂镍钴锰的高效分步分离,回收率高,且避免强酸强碱等对设备的腐蚀,加工成本低。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池回收技术领域,具体涉及一种从废旧三元锂电池中分步沉淀回收镍、钴和锰的方法。
背景技术
三元镍钴锰正极材料为重要的锂离子电池材料,其具有能量密度高、稳定性好、安全性高等重要优势。锂离子电池退役后如果不妥善处置会造成环境污染和资源浪费。镍钴锰三元锂电池中含有大量锂、钴、锰、锰等有价金属,与开采矿石相比,有价金属含量高且杂质少,因而具有很高的回收价值。
目前,工业上通常使用火法冶金、湿法冶金或两者的联用来回收废电池中的有价金属元素。火法冶金回收是将废旧锂离子电池放入温度高于1000℃的熔炼炉中进行高温冶炼,冶炼过程中,废旧锂离子电池中的有机物燃烧脱除,熔点低于反应温度的金属形成合金,低沸点的金属及其化合物通过冷凝回收,其它杂质转移到渣相或形成气体。火法回收应用广泛,可混合处理不同类型废旧锂离子电池,具有回收流程短、效率高等优点,但回收过程中仍有部分锰和锂损失在炉渣中,损失的有价金属偏多,同时会造成大气污染。湿法回收主要是借助湿法冶金的方法将废旧锂离子电池中的有价金属组分进行分离和富集,得到金属可溶性盐或沉淀等产品,具有投资少、生产灵活、金属回收率高等优点,然而在生产过程中需要用到强酸强碱以及萃取剂,易对生产设备造成腐蚀,同时存在环境污染和生产安全的风险。
如何解决现有回收废旧三元电池工艺中有价金属回收率低、设备腐蚀、成本高等问题是电池回收的难点。申请号为2020109779134的中国专利公开了一种三元锂电池正极材料的回收方法,包括如下步骤:(1)将锂电池正极粉末加入不含还原剂的无机酸中浸出,得到酸浸液;(2)酸浸液调pH,用P227作为萃取剂进行镍钴锰共萃取同时分离锂;(3)镍钴锰共萃取的有机相经酸反萃得到反萃液,草酸作为共沉淀剂沉淀反萃液制备镍钴锰前驱体;(4)再高温煅烧镍钴锰前驱体制备得到粉末状的锂电池正极材料。该技术方案通过溶剂萃取法实现了镍钴锰与锂的分离,同时还实现了不同型号三元电池正极材料的调控,然而该专利无法进一步实现镍钴锰的深度分离,因此,本发明旨在开发一种从废旧三元锂电池中分步沉淀回收镍、钴和锰的方法,以更好的满足实际生产需要。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种从废旧三元锂电池中分步沉淀回收镍、钴和锰的方法,以实现镍钴锰的深度分离,提高回收率,降低回收成本。
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现:
一种从废旧三元锂电池中分步沉淀回收镍、钴和锰的方法,包括如下步骤:
1)预处理:将废旧三元锂电池正负极粉末煅烧备用;煅烧过程中,废旧三元锂电池正负极粉末煅烧前混合均匀,煅烧过程中锂转化为碳酸锂,高价的镍钴锰转化为低价的镍钴锰;
2)配置镍钴锰浸出液:将氢键供体、氢键受体及稀释剂配置成镍钴锰浸出溶液备用;镍钴锰浸出液和原料中的镍钴锰元素分别配位形成配合物,从而达到浸出的目的,而和镍元素形成的配合物在此浸出液中不溶解,所以同时达到沉淀分离镍元素的目的。
3)锂分离处理:将煅烧后的粉末加水进行浸出,浸出完成后进行第一次过滤得到的滤液为碳酸锂溶液;
4)镍钴锰分离处理:将第一次过滤得到的滤渣与镍钴锰浸出溶液混合进行反应,反应完成后进行第二次过滤得到镍化合物;将第二次过滤得到的滤液加钴沉淀剂沉淀反应后进行第三次过滤得到钴化合物和锰化合物。
进一步地,步骤1)中,废旧三元锂电池正负极粉末煅烧全程在惰性气体的保护下进行。
进一步地,步骤1)中,煅烧温度为500~700℃。
进一步地,步骤1)中,升温速率为1~20℃/min。升温速率需控制在该范围内,加热速率过慢影响生产效率,而加热速率过快易造成局部温度过高,镍钴锰被还原成合金,影响后续产品分离。
进一步地,步骤1)中,煅烧时间为1~10小时。
进一步地,步骤2)中,镍钴锰浸出溶液中,稀释剂的质量分数为5%~50%。
进一步地,氢键受体、氢键供体的物质的量比为1~5:1~5。氢键受体与氢键供体的比例合适,才能保证良好的配位效果,实现高效浸出镍钴锰的目的。
进一步地,步骤2)中,所述氢键供体为甲酸、乙酸、草酸、柠檬酸、酒石酸、苹果酸、乳酸、抗坏血酸中的一种或多种。
进一步地,步骤2)中,氢键受体为氯化胆碱、氯化琥珀胆碱、氯化乙酰胆碱、氯化胺甲酰胆碱的一种或多种。
进一步地,步骤2)中,稀释剂为二甲基亚砜、二甲基乙酰胺、二乙基乙酰胺中的一种或多种。
优选的,镍钴锰浸出溶液配置时,先将氢键受体、氢键供体配置成混合溶液,往混合溶液中加入稀释剂,在50~80℃下搅拌0.5~1h。氢键受体和氢键供体混合后会通过氢键相互作用形成混合物,分开配置可以保证氢键受体和氢键供体混合更均匀,稀释剂作为溶剂起到降低粘度的作用。
进一步地,步骤3)中,煅烧后的粉末与水的质量比范围为1:5~50。
进一步地,步骤3)中,浸出时间为0.5~3h,浸出过程中搅拌速度为250~600r/min。
进一步地,步骤4)中,第一次过滤得到的滤渣与镍钴锰浸出溶液的固液比范围为1:3~60。
进一步地,步骤4)中,第一次过滤得到的滤渣与镍钴锰浸出溶液的反应温度为80~150℃。温度太低浸出不完全影响产率,温度太高形成的配合物会分解也会影响产率。
进一步地,步骤4)中,第一次过滤得到的滤渣与镍钴锰浸出溶液的反应时间20~120min。
进一步地,步骤4)中,第二次过滤得到的滤渣为镍化合物和碳的混合物。
进一步地,步骤4)中,加热混合物使镍化合物分解得到氧化镍,碳被氧化成二氧化碳。
进一步地,步骤4)中,加热温度为600~700℃,升温速率为1~20℃/min,加热时间为1~3h。
进一步地,步骤4)中,钴沉淀剂为水,加水后水在体系中的质量分数为1%~50%,反应温度为40~90℃,反应时间60~240min。钴与镍钴锰浸出液形成的配合物,在加入水后,一部分配位基团被水取代而形成沉淀,水的质量分数控制较为重要,控制不当易导致钴沉淀不完全,影响钴的回收率。而温度太低配位基团置换不完全影响产率,温度太高和水形成的配合物分解也会影响产率。
优选的,反应时搅拌速度为250~600r/min。
进一步地,步骤4)中,第三次过滤得到的滤渣为钴化合物,将钴化合物加热分解得到四氧化三钴,加热温度为450~550℃,升温速率为1~20℃/min,加热时间为1~3h。
进一步地,步骤4)中,第三次过滤得到的滤液通过加入锰沉淀剂在常温下进行沉淀反应,锰沉淀剂为碱溶液,碱溶液浓度为0.1~5mol/L。反应时,搅拌速度为250~600r/min。
进一步地,步骤4)中,沉淀反应完成后得到锰化合物,将锰化合物加热分解得到四氧化三锰,加热温度为800~1000℃,升温速率为1~20℃/min,加热时间为1~3h。
进一步地,步骤3)及步骤4)的反应过程中均保持搅拌。
本发明中,镍钴锰元素都和镍钴锰浸出液配位,从而达到浸出的目的。镍形成的配合物不溶于浸出液而沉淀分离。在加入水后,配位环境发生变化,钴和浸出液形成的配合物,和钴配位的配位基团会被水取代,而形成沉淀。在此过程中,镍钴锰浸出剂的配置极为重要,其要求能同时和镍钴锰元素形成配合物;且和镍形成的配合物在此镍钴锰浸出液中溶解度很低,从而实现高效分离镍;并且和钴形成的配合物的基团可以被水替代,从而高效分离钴。
有益效果:本发明所述的实现镍钴锰的一种从废旧三元锂电池中分步沉淀回收镍、钴和锰的方法,利用不同金属离子与配位分子之间络合作用的差异,通过调节体系中过渡金属配合物的配位环境,实现分步分离废旧锂离子电池中的锂、镍、钴、锰,通过正负极混合极粉煅烧—选择性浸出分离锂—浸出镍钴锰并选择性沉淀分离镍—选择性沉淀分离钴—沉淀分离锰等过程,实现了锂镍钴锰的高效分步分离。
本发明所述的从废旧三元锂电池中分步沉淀回收镍、钴和锰的方法,与传统的回收工艺相比,避免了强酸浸出、萃取剂对镍、钴、锰溶液进行多级萃取分离等工艺,可以减少设备腐蚀延长使用寿命,并降低生产成本。
本发明工艺操作简单、回收率高、生产成本低、设备使用寿命长、环境友好、易连续化生产,适合工业化生产。
附图说明
图1为本发明从废旧三元锂电池中分步沉淀回收镍、钴和锰的示意图。
图2为实施例1中正负极混合粉末煅烧后的XRD图。
图3为实施例1中锂镍钴锰的回收率图。
图4为实施例2中锂镍钴锰的回收率图。
图5为对照实施例1中锂镍钴锰的回收率图
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解,下面结合具体实施例进一步阐述本发明。
实施例1
本实施例所述的从废旧三元锂电池中分步沉淀回收镍、钴和锰的方法,包括如下步骤:
1)预处理:将镍钴锰三元锂离子电池正负极粉末混合均匀,用ICP测得各组分的含量分别为:锂5.4%,镍22.1%,钴8.5%,锰11.5%。称取100g混合粉末放入马弗炉内,在氮气保护下,以5℃/min的升温速率升温至600℃,在600℃下,高温煅烧2h。
2)配置镍钴锰浸出液:将作为氢键供体的草酸和氢键受体的氯化胆碱按物质的量1:1混合后,在80℃下搅拌0.5h,配置成混合溶液,往混合溶液中加入作为稀释剂的二甲基亚砜,二甲基亚砜在体系里的质量分数为40%,在70℃下搅拌1h,混合后的溶液为镍钴锰浸出液。
3)锂分离处理:将煅烧后的粉末与水按固液比1:30的比例混合浸出锂,浸出在搅拌下进行,以500r/min的速度搅拌1h。浸出完成后进行第一次过滤,得到的滤液为碳酸锂溶液,将滤液蒸发结晶得到碳酸锂晶体,滤渣进入下一步反应。
4)镍钴锰分离处理:将第一次过滤得到的滤渣与配置好的镍钴锰浸出溶液混合进行反应,固液比为1:10,反应温度为110℃,以350r/min的速度搅拌70min。反应完成后进行第二次过滤,第二次过滤得到的滤渣为草酸镍和碳的混合物,将该混合物在空气氛围下以5℃/min的升温速率加热到650℃后在650℃下反应2h,草酸镍分解得到氧化镍,碳被氧化成二氧化碳。
第二次过滤得到的滤液中加入钴沉淀剂进行沉淀,钴沉淀剂为水,加水后水在体系中的质量分数为30%,反应温度为50℃,反应时间120min,该过程中保持搅拌,搅拌速度为350r/min。反应完成后进行第三次过滤,第三次过滤得到的滤渣为草酸钴,草酸钴在空气氛围下以5℃/min的升温速率加热到550℃反应2h,分解得到四氧化三钴。
往第三次过滤得到的滤液中加入锰沉淀剂,锰沉淀剂为1mol/L氢氧化钠,得到含锰的化合物沉淀,含锰的化合物沉淀在空气氛围下以5℃/min的升温速率加热到800℃,反应2h得到四氧化三锰。
反应完成后,称量各产物的质量,得到碳酸锂26.4g,氧化镍27.2g,四氧化三钴11.2g,四氧化三锰14.9g,计算出各元素的回收率分别为,锂92%,镍97%,钴96%,锰93%。
图2为实施例1中正负极混合粉末煅烧后的XRD图。图3为实施例1中锂镍钴锰的回收率图。
实施例2
本实施例所述的从废旧三元锂电池中分步沉淀回收镍、钴和锰的方法,包括如下步骤:
1)预处理:将镍钴锰三元锂离子电池正负极粉末混合均匀,用ICP测得各组分的含量分别为:锂5.4%,镍22.1%,钴8.5%,锰11.5%。称取100g混合粉末放入马弗炉内,在氮气保护下,以5℃/min的升温速率升温至700℃,在700℃下,高温煅烧1h。
2)配置镍钴锰浸出液:将作为氢键供体的柠檬酸和氢键受体的氯化胺甲酰胆碱按物质的量1:1混合后,在50℃下搅拌1h,配置成混合溶液,往混合溶液中加入作为稀释剂的二甲基乙酰胺,二甲基乙酰胺在体系里的质量分数为10%,在50℃下搅拌1h,混合后的溶液为镍钴锰浸出液。
3)锂分离处理:将煅烧后的粉末与水按固液比1:20的比例混合浸出锂,浸出在搅拌下进行,以500r/min的速度搅拌3h。浸出完成后进行第一次过滤,得到的滤液为碳酸锂溶液,将滤液蒸发结晶得到碳酸锂晶体,滤渣进入下一步反应。
4)镍钴锰分离处理:将第一次过滤得到的滤渣与配置好的镍钴锰浸出溶液混合进行反应,固液比为1:60,反应温度为80℃,以600r/min的速度搅拌120min。反应完成后进行第二次过滤,第二次过滤得到的滤渣为柠檬酸镍和碳的混合物,将该混合物在空气氛围下以5℃/min的升温速率加热到700℃后在700℃下反应1h,柠檬酸镍分解得到氧化镍,碳被氧化成二氧化碳。
第二次过滤得到的滤液中加入钴沉淀剂进行沉淀,钴沉淀剂为水,加水后水在体系中的质量分数为10%,反应温度为90℃,反应时间60min,该过程中保持搅拌,搅拌速度为500r/min。反应完成后进行第三次过滤,第三次过滤得到的滤渣为柠檬酸钴,柠檬酸钴在空气氛围下以5℃/min的升温速率加热到500℃反应3h,分解得到四氧化三钴。
往第三次过滤得到的滤液中加入锰沉淀剂,锰沉淀剂为2mol/L氢氧化钠,得到含锰的化合物沉淀,含锰的化合物沉淀在空气氛围下以5℃/min的升温速率加热到1000℃,反应1h得到四氧化三锰。
反应完成后,称量各产物的质量,得到碳酸锂25.9g,氧化镍26.2g,四氧化三钴10.9g,四氧化三锰15.0g,计算出各元素的回收率分别为,锂90%,镍93%,钴93%,锰94%。
图4为实施例2中锂镍钴锰的回收率图。
对照实施例1
本对照实施例所述的从废旧三元锂电池中分步沉淀回收镍、钴和锰的方法,包括如下步骤:
1)预处理:将镍钴锰三元锂离子电池正负极粉末混合均匀,用ICP测得各组分的含量分别为:锂5.4%,镍22.1%,钴8.5%,锰11.5%。称取100g混合粉末放入马弗炉内,在氮气保护下,以5℃/min的升温速率升温至600℃,在600℃下,高温煅烧2h。
2)配置镍钴锰浸出液:将作为氢键供体的草酸和氢键受体的氯化胆碱按物质的量1:1混合后,在80℃下搅拌0.5h,配置成混合溶液,往混合溶液中加入作为稀释剂的二甲基亚砜,二甲基亚砜在体系里的质量分数为40%,在70℃下搅拌0.5h,混合后的溶液为镍钴锰浸出液。
3)锂分离处理:将煅烧后的粉末与水按固液比1:30的比例混合浸出锂,浸出在搅拌下进行,以500r/min的速度搅拌1h。浸出完成后进行第一次过滤,得到的滤液为碳酸锂溶液,将滤液蒸发结晶得到碳酸锂晶体,滤渣进入下一步反应。
4)镍钴锰分离处理:将第一次过滤得到的滤渣与配置好的镍钴锰浸出溶液混合进行反应,固液比为1:10,反应温度为30℃,以350r/min的速度搅拌70min。反应完成后进行第二次过滤,第二次过滤得到的滤渣为草酸镍和碳的混合物,将该混合物在空气氛围下以5℃/min的升温速率加热到650℃后在650℃下反应2h,草酸镍分解得到氧化镍,碳被氧化成二氧化碳。
第二次过滤得到的滤液中加入钴沉淀剂进行沉淀,钴沉淀剂为水,加水后水在体系中的质量分数为30%,反应温度为20℃,反应时间120min,该过程中保持搅拌,搅拌速度为350r/min。反应完成后进行第三次过滤,第三次过滤得到的滤渣为草酸钴,草酸钴在空气氛围下以5℃/min的升温速率加热到550℃反应2h,分解得到四氧化三钴。
往第三次过滤得到的滤液中加入锰沉淀剂,锰沉淀剂为1mol/L氢氧化钠,得到含锰的化合物沉淀,含锰的化合物沉淀在空气氛围下以5℃/min的升温速率加热到800℃,反应2h得到四氧化三锰。
反应完成后,称量各产物的质量,得到碳酸锂25.5g,氧化镍25.8g,四氧化三钴1.9g,四氧化三锰6.6g,计算出各元素的回收率分别为,锂89%,镍92%,钴16%,锰41%。
图5为对照实施例1中锂镍钴锰的回收率图。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种从废旧三元锂电池中分步沉淀回收镍、钴和锰的方法,其特征在于,包括如下步骤:
1)预处理:将废旧三元锂电池正负极粉末煅烧备用;
2)配置镍钴锰浸出液:将氢键供体、氢键受体及稀释剂配置成镍钴锰浸出溶液备用;
3)锂分离处理:将煅烧后的粉末加水进行浸出,浸出完成后进行第一次过滤得到的滤液为碳酸锂溶液;
4)镍钴锰分离处理:将第一次过滤得到的滤渣与镍钴锰浸出溶液混合进行反应,反应完成后进行第二次过滤得到镍化合物;将第二次过滤得到的滤液加钴沉淀剂沉淀反应后进行第三次过滤得到钴化合物和锰化合物。
2.根据权利要求1所述的从废旧三元锂电池中分步沉淀回收镍、钴和锰的方法,其特征在于,步骤1)中,废旧三元锂电池正负极粉末煅烧全程在惰性气体的保护下进行,煅烧温度为500~700℃,升温速率为1~20℃/min,煅烧时间为1~10小时。
3.根据权利要求1所述的从废旧三元锂电池中分步沉淀回收镍、钴和锰的方法,其特征在于,步骤2)中,镍钴锰浸出溶液中,稀释剂的质量分数为5%~50%,氢键受体、氢键供体的物质的量比为1~5:1~5。
4.根据权利要求1所述的从废旧三元锂电池中分步沉淀回收镍、钴和锰的方法,其特征在于,步骤2)中,所述氢键供体为甲酸、乙酸、草酸、柠檬酸、酒石酸、苹果酸、乳酸、抗坏血酸中的一种或多种;氢键受体为氯化胆碱、氯化琥珀胆碱、氯化乙酰胆碱、氯化胺甲酰胆碱的一种或多种;稀释剂为二甲基亚砜、二甲基乙酰胺、二乙基乙酰胺中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的从废旧三元锂电池中分步沉淀回收镍、钴和锰的方法,其特征在于,步骤3)中,煅烧后的粉末与水的质量比范围为1:5~50,浸出时间为0.5~3h,浸出过程中搅拌速度为250~600r/min。
6.根据权利要求1所述的从废旧三元锂电池中分步沉淀回收镍、钴和锰的方法,其特征在于,步骤4)中,第一次过滤得到的滤渣与镍钴锰浸出溶液的固液比范围为1:3~60,反应温度为80~150℃,反应时间20~120min。
7.根据权利要求1所述的从废旧三元锂电池中分步沉淀回收镍、钴和锰的方法,其特征在于,步骤4)中,第二次过滤得到的滤渣为镍化合物和碳的混合物,加热混合物使镍化合物分解得到氧化镍,碳被氧化成二氧化碳,加热温度为600~700℃,升温速率为1~20℃/min,加热时间为1~3h。
8.根据权利要求1所述的从废旧三元锂电池中分步沉淀回收镍、钴和锰的方法,其特征在于,步骤4)中,钴沉淀剂为水,加水后水在体系中的质量分数为1%~50%,反应温度为40~90℃,反应时间60~240min;第三次过滤得到的滤渣为钴化合物,将钴化合物加热分解得到四氧化三钴,加热温度为450~550℃,升温速率为1~20℃/min,加热时间为1~3h。
9.根据权利要求1所述的从废旧三元锂电池中分步沉淀回收镍、钴和锰的方法,其特征在于,步骤4)中,第三次过滤得到的滤液通过加入锰沉淀剂在常温下进行沉淀反应,锰沉淀剂为碱溶液,碱溶液浓度为0.1~5mol/L,沉淀反应完成后得到锰化合物,将锰化合物加热分解得到四氧化三锰,加热温度为800~1000℃,升温速率为1~20℃/min,加热时间为1~3h。
10.根据权利要求1所述的从废旧三元锂电池中分步沉淀回收镍、钴和锰的方法,其特征在于,步骤3)及步骤4)的反应过程中均保持搅拌。
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