CN116987889A - 一种从失效三元锂电材料中选择性回收锰的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种从失效三元锂电材料中选择性回收锰的新方法，属于环境保护和有色金属循环利用技术领域。具体方法如下：失效三元锂离子电池经预处理后得到正极和负极粉末，将正极粉和还原剂按照一定的比例混合后在650～850℃进行还原焙烧，焙烧料在隔绝空气并控制反应时间的条件下氨浸选择性优先提锰，含锰液经过氧化沉淀的方式得到锰产品。本方法实现了失效三元锂电材料中锰的选择性回收，可大幅简化传统的镍、钴、锰萃取分离流程，为锂离子电池回收方法提供了一种新思路，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种从失效三元锂电材料中选择性回收锰的方法，属于环境保护和有色金属循环利用技术领域。
背景技术
锂离子电池具有能量密度高、工作温度范围宽、充电效率高、自放电小、循环性能好、无记忆效应等优点，已经大范围替代传统的镍镉电池、铅酸电池并广泛的应用于手机、笔记本电脑、电动汽车、医疗器械，航天航空等诸多领域。
近年来锂离子电池行业的飞跃式发展，导致失效锂离子电池数量的爆发性增长。失效锂离子电池中含有锂、镍、钴、锰等有价金属和有机电解质以及隔膜等，是重要的二次资源。若不进行有效回收，一方面会造成巨大的资源浪费，另一方面，如果不对有机电解质等进行处理，将会造成巨大的环境污染和损害人类健康。
传统的湿法浸出过程中，酸浸对失效三元锂电材料中有价金属基本上不具有选择性，铁、铝、钙、镁等杂质元素均会进入到浸出液，导致后续的溶液净化过程复杂。其中锰萃取的过程需要大量的萃取剂，且萃取过程耗时较长，萃取级数较多，导致萃取过程的成本较高。因此，开发失效三元材料中锰的优先提取技术，从而规避锰萃取流程，具有重要的意义。
专利CN 107017443 B将电池经简单预处理后在300～400℃下进行预焙烧，加入还原剂后在450～700℃下进行还原焙烧，镍、钴采用氧化氨浸提取，而锰则以二氧化锰的形态进入渣中，得到的富锰渣采用酸浸的方式制备硫酸锰。该方法虽然在浸出的过程中实现了锰与镍、钴的分离，但是富锰渣酸浸提取过程中，锰会和铁、铝、钙、镁等杂质一起进入到酸浸液中，导致后续溶液净化过程复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种从失效三元锂电材料中选择性回收锰的方法，具有成本低、流程简短、溶液体系可循环、无废水排放等优点，为锂离子电池回收提供了一种新思路，具有良好的应用前景。
该方法的具体步骤如下：
(1)失效三元锂离子电池经预处理、分选后得到的电极废料首先在650～850℃下还原焙烧，焙烧时间为1～4h，焙烧后将焙烧产物直接水淬；
(2)水淬后的焙烧料在氨水-铵盐混合溶液中隔绝空气浸出，浸出后焙烧料中的锰进入到溶液中，而镍、钴几乎不浸出；
(3)浸出后进行过滤，得到的含锰浸出液添加氧化剂使锰沉淀得到产品，使用的氧化剂包括氧气、双氧水，氧化剂加入摩尔量是浸出液中锰摩尔量的1.1～2倍。沉淀锰后的溶液返回至步骤(2)的浸出过程循环使用。
进一步地，步骤(1)所述的还原焙烧过程中，还原剂为电池废料本身含有的石墨、导电剂和外加还原剂，其中外加还原剂包括褐煤、焦炭、炭黑、无烟煤、甲烷、生物质中的一种或多种，所有还原剂中碳含量为电池废料质量的5～35wt.％。
进一步地，步骤(2)所述的氨浸选择性优先提锰过程中，使用的氨水-铵盐混合溶液中的铵盐为氯化铵、碳酸铵、碳酸氢铵、硫酸铵中的一种或多种。
进一步地，步骤(2)所述的浸出，浸出时间10～90min，浸出液中氨水浓度为3～8mol/L，铵盐浓度为1～4mol/L，液固比为2:1～20:1，浸出温度为20～60℃。
本发明原理为：
1、失效三元锂电材料经还原焙烧后解离为MnO、Ni和Co。因此Ni、Co必须在氧化剂存在的条件下才能在氨性条件下浸出，而MnO可不经氧化直接浸出，因此，在隔绝空气的条件下，可实现锰的选择性浸出，而镍、钴则完全不浸出。
2、在不同的氨水、铵盐浓度条件下，锰的溶解度是变化的。因此，需要对氨浸过程中氨水浓度、铵盐浓度、液固比等进行调控，以实现锰的有效浸出。
本发明的一种从失效三元锂电材料中优先回收锰的方法，与现有技术相比，具有如下的优点：
(1)实现了失效三元锂电材料中锰的选择性优先提取，删除了传统流程中的锰萃取流程；
(2)锰浸出液通过氧化沉淀锰可直接获得高纯度的锰产品，避免了传统湿法流程中锰萃取后复杂的溶液净化流程；
(3)浸出体系选择性强，并可循环使用，使得溶液的净化、分离流程大幅简化，废水处理量也大幅降低。
具体实施方式
下面通过一些实施例来对本发明做进一步详细说明，这些实施例仅用来说明本发明，并不限制本发明的范围。
实施例1
将预处理后的失效三元锂电材料与15wt.％褐煤还原剂混合，在850℃下进行还原焙烧，焙烧时间1h，经水淬后得到焙烧料；将焙烧料加入到8mol/L氨水和1mol/L碳酸氢铵混合溶液中，在隔绝空气的条件下进行选择性优先提锰，反应时间45min，液固比2:1，反应温度为20℃，反应结束后过滤得到含锰浸出液和提锰渣，锰浸出率达95.2％，此时镍、钴浸出率仅为2.3％和0.8％；含锰浸出液添通入氧气使锰沉淀得到产品，氧气加入摩尔量是浸出液中锰摩尔量的2倍，锰沉淀率达97.3％。沉淀锰后的溶液返回浸出过程循环使用。
实施例2
将预处理后的失效三元锂电材料与35wt.％无烟煤混合，在650℃下进行还原焙烧，焙烧时间4h，经水淬后得到焙烧料；将焙烧料加入到3mol/L氨水和4mol/L碳酸铵混合溶液中进行选择性优先提锰，反应体系密闭，反应时间90min，液固比20:1，反应温度为40℃，反应结束后过滤得到含锰液和提锰渣，锰浸出率达95.0％，此时镍、钴浸出率仅为1.4％和2.7％；含锰浸出液通入氧气使锰沉淀得到产品，氧气加入摩尔量是浸出液中锰摩尔量的1.5倍，锰沉淀率达99.8％。沉淀锰后的溶液返回浸出过程循环使用。
实施例3
将预处理后的失效三元锂电材料与5wt.％负极碳混合，在800℃下进行还原焙烧，焙烧时间2h，经水淬后得到焙烧料；将焙烧料加入到6mol/L氨水和2mol/L硫酸铵混合溶液中进行选择性优先提锰，反应体系密闭，反应时间10min，液固比10:1，反应温度为60℃，反应结束后过滤得到含锰液和提锰渣，锰浸出率达94.6％，此时镍、钴浸出率仅为3.4％和4.8％；含锰浸出液加入双氧水使锰沉淀得到产品，双氧水加入摩尔量是浸出液中锰摩尔量的1.1倍，锰沉淀率达95.6％。沉淀锰后的溶液返回浸出过程循环使用。
实施例4
将预处理后的失效三元锂电材料与20wt.％负极碳混合，在750℃下进行还原焙烧，焙烧时间3h，经水淬后得到焙烧料；将焙烧料加入到4mol/L氨水和3mol/L氯化铵混合溶液中进行选择性优先提锰，反应体系密闭，反应时间60min，液固比6:1，反应温度为30℃，反应结束后过滤得到含锰液和提锰渣，锰浸出率达95.4％，此时镍、钴浸出率仅为5.4％和6.5％；含锰浸出液通入双氧水使锰沉淀得到产品，双氧水加入摩尔量是浸出液中锰摩尔量的1.2倍，锰沉淀率达99.8％。沉淀锰后的溶液返回浸出过程循环使用。
Claims (4)
1.一种从失效三元锂电材料中选择性回收锰的方法，其特征在于通过以下步骤完成：
(1)失效三元锂离子电池经预处理、分选后得到的电极废料首先在650～850℃下还原焙烧，焙烧时间为1～4h，焙烧后将焙烧产物直接水淬；
(2)水淬后的焙烧料在氨水-铵盐混合溶液中隔绝空气浸出；浸出后焙烧料中的锰进入到溶液中，而镍、钴几乎不浸出；
(3)浸出后进行过滤，得到的含锰浸出液添加氧化剂使锰沉淀得到产品，使用的氧化剂包括氧气、双氧水，氧化剂加入摩尔量是浸出液中锰摩尔量的1.1～2倍；沉淀锰后的溶液返回至步骤(2)的浸出过程循环使用。
2.如权利要求1所述的一种从失效三元锂电材料中选择性回收锰的方法，其特征在于步骤(1)中的还原焙烧过程，还原剂为电池废料本身含有的石墨、导电剂和外加还原剂，其中外加还原剂包括褐煤、焦炭、炭黑、无烟煤、甲烷、生物质中的一种或多种，所有还原剂中碳含量为电池废料质量的5～35wt.％。
3.如权利要求1所述的一种从失效三元锂电材料中选择性回收锰的方法，其特征在于步骤(2)中使用的氨水-铵盐混合溶液中，铵盐为氯化铵、碳酸铵、碳酸氢铵、硫酸铵中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的一种从失效三元锂电材料中选择性回收锰的方法，其特征在于步骤(2)所述浸出，浸出时间为10～90min，浸出液中氨水浓度为3～8mol/L，铵盐浓度为1～4mol/L，液固比为2:1～20:1g/L，浸出温度为20～60℃。
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