从镍氢电池废弃负极材料中综合回收有价金属的研究

摘要

镍氢电池是20世纪90年代世界各国竞相发展的一种新型绿色电池。近年来世界镍氢电池市场平均增长率为13％,而我国在“863计划”项目的推动下,也逐渐实现了镍氢电池及相关产业从无到有,赶超世界先进水平的奋斗目标。尽管镍氢电池在一些领域逐渐被锂离子电池及锂聚合物电池取代,但镍氢电池凭借自身综合优势,在二次电池市场中仍占有很大的份额。由于所有电池都存在使用寿命的问题,电池消费不断增加的同时也使废电池大量产生,对镍氢电池来说也不例外。开展从废弃镍氢电池中回收有价金属的研究,开发高效的回收再利用技术既可以减少其对环境的污染,又可以促进资源的循环利用,符合可持续发展的要求。
　　 本文论述了废弃镍氢电池回收的历史与现状,并介绍了几种典型的综合回收处理废弃镍氢电池的技术。鉴于现有湿法和火法冶金处理技术多是注重少数单一组分的回收,缺乏对废弃镍氢电池进行有价组分综合回收考虑等问题。在具有综合优势的正负极分开处理技术基础上,提出了预先分离镍氢电池废弃正负极基体与活性物质再作深度处理得到回收产品的方法。研究了预先进行的镍氢电池废弃负极材料活性物质与基体材料的分离实验,接着验证了以镍氢电池废弃负极活性物质中含有的主要稀土元素及基体镍元素为主要原料,采用基于湿法化学共沉淀及火法金属还原扩散联用工艺制备La-Mg-Ni系合金材料的可行性。分别对负极材料中活性物质与基体的分离以及La0.67Mg0.33Ni3.0合金的制备进行了实验研究;还分别对负极极板分离实验中涉及的浸出过程动力学以及共沉淀-还原扩散法制备La0.67Mg0.33Ni3.0合金过程中涉及的CaH2还原前躯体金属氧化物热力学作了理论上的研究。研究表明:物理法与高温焙烧法均不易于实现活性物质与基体的有效分离,而稀硫酸-旋流联合法的分离效果较好,在H2SO4物质的量浓度为0.3mol·L-1、固液比S/L为20:1、搅拌速度为350 r·min-1、温度80℃和反应时间2h的条件下,即可实现镍氢电池废弃负极材料中活性物质与基体的有效分离,基体Ni经一定处理可作为产品直接回收,Ni元素只有极少部分进入浸出液,所得活性物质的浸出渣和浸出液经后续处理还可再次用于镍氢电池材料的合成;在前驱体复合金属氧化物进行还原扩散过程中,恰当控制反应参数,可使复合金属氧化物中各金属氧化物得到彻底的还原,各还原金属原子再经热扩散过程便可结合为所要的合金相;分离实验中,影响酸浸效果主要因素是酸浓度、浸出温度、固液比以及负极极板界面等。本文总体上验证了以镍氢电池废弃负极材料活性物质制备La-Mg-Ni系合金工艺的可行性,但需注意控制湿法化学共沉淀及火法金属还原扩散联用过程中所用的工艺参数,经进一步优化有望应用到实际工业生产中。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 镍氢电池概述

1.1.1 镍氢电池的发展

1.1.2 镍氢电池的分类

1.1.3 镍氢电池的工作原理

1.1.4 镍氢电池的结构与材料组成

1.2 废弃镍氢电池回收处理的背景

1.2.1 废电池的危害

1.2.2 废弃镍氢电池回收再利用的意义

1.3 废弃镍氢电池的资源化及存在的主要问题

1.3.1 废弃镍氢电池回收处理技术

1.3.2 目前废弃镍氢电池再生处理技术存在的主要问题

1.4 本论文研究的目的、意义及研究思路

第2章 实验方法

2.1 实验原料、试剂、仪器及设备

2.2 镍氢电池废弃负极材料的酸浸实验

2.2.1 酸浸实验方案

2.2.2 浸出过程动力学研究方法

2.3 合金的制备

2.3.1 实验原理

2.3.2 合金烧结实验方案

2.3.3 合金的熔炼

2.3.4 合金后处理

2.4 微结构分析

2.4.1 X射线衍射分析

2.4.2 扫描电子显微镜分析

第3章 镍氢电池废弃负极材料活性物质与基体的分离

3.1 镍氢电池废弃负极材料成分分析

3.2 镍氢电池废弃负极材料回收方法的选择

3.3 结果与讨论

3.3.1 物理法分离镍氢电池废弃负极材料的活性物质与基体

3.3.2 高温焙烧法分离镍氢电池废弃负极材料的活性物质与基体

3.3.3 稀硫酸-旋流联合法分离镍氢电池废弃负极材料的活性物质与基体

3.3.4 镍氢电池废弃负极极板的浸出过程动力学研究

3.3.5 分离镍氢电池废弃负极材料活性物质与基体的工艺流程

3.4 本章小结

第4章 CaH2还原复合MeO的热力学研究

4.1 MeO还原热力学机理及研究方法

4.2 结果与讨论

4.2.1 反应及物质的热力学数据

4.2.2 CaH2离解热力学

4.2.3 Ca对金属氧化物的热还原

4.2.4 H2还原金属氧化物

4.3 本章小结

第5章 以镍氢电池废弃负极材料制备La-Mg-Ni系合金新型合成工艺可行性及La0.67Mg0.33Ni3.0合金微观结构的研究

5.1 实验方法

5.2 结果与讨论

5.2.1 合金成分设计

5.2.2 La0.67Mg0.33Ni3.0合金的形成机理

5.2.3 La0.67Mg0.33Ni3.0合金制各工艺参数的优化

5.2.4 La0.67Mg0.33Ni3.0合金的微观结构

5.3 本章小结

总结

对今后工作的建议

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文