废旧动力锂离子电池Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2再利用的研究

摘要

新能源汽车市场近年持续迅速扩大，推动了锂离子动力电池需求的疾速增涨，到2020年，预计全世界废弃的锂离子电池总量将超过250亿只，重量将达50万吨。到时候，中国的废旧电池形成速度和总量也将超过世界的平均量。锂离子电池正极材料一般使用的是过渡金属氧化物，如LiVPO4、LiCoO2、Li[NixCoyMnz]O2等，这些材料中包含贵重和稀有金属例如钴、镍、钒、锂等；以及锂离子电池的集流体如铜、铝箔材料等资源，回收废旧锂电池具有较高的经济效益。因此，无害化处理废旧锂离子电池和对其中金属的资源化回收再利用意义重大。回收再利用技术的研究也就成为了环境保护和资源再生的必经之路。
　　在本文中研究了废旧锂离子电池材料的回收与再制备，采用萃取、吸附、沉淀等方法对回收过程中杂质金属离子的含量进行控制，得出了最佳的除杂工艺条件。并研究了铝杂质含量和超临界工艺对再制备的三元正极材料LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2物理性能和电化学性能的影响。
　　在对金属杂质离子控制的研究中确定了各方法的最佳条件选择。结果表明，在碱溶步骤中，采用多次碱溶可以有效的降低Al3+的含量，经过三次碱洗后，铝离子的摩尔百分比从1.1%降至0.6%。萃取剂A对Al3+的最佳萃取条件：pH=2，相比O/A=1:2，萃取剂A与煤油混合浓度为50%vol，振荡时间7min。吸附剂对Al3+吸附的最佳实验条件：pH=4，吸附剂质量m=0.2g，温度T=25℃，吸附时间t=1h。萃取剂B对Cu2+的最佳萃取条件：pH=3，相比O/A=1:3，萃取剂B与煤油混合浓度为20%vol，振荡时间5min。沉淀剂对Cu2+的最佳沉淀条件：pH=2.5，沉淀剂用量7ml，温度T=35℃，吸附时间t=1.5h。
　　在三元正极材料回收再制备的研究中确定了铝杂质含量的可接受范围和超临界条件对材料的作用。物理性能表征结果表明，制备的材料具有较均匀的粒子，铝的掺入将取代锰位和镍位。电化学性能测试结果表明，当x≤0.03时，以废旧锂离子电池为原料制备的三元正极材料可以满足对容量和循环性能的要求。超临界技术的引入对材料性能有一定程度的提高。从电化学性能方面来看，经过超临界处理的材料在首次充放电比容量、循环性能和倍率性能上均优于未经处理的材料。超临界处理后，材料的Rct减小和ΔEp均有明显减小，说明材料的电化学活性有一定程度的提高。有利于电化学反应的发生。

目录

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 锂离子电池概况

1.3 锂离子电池的失效原因

1.4 锂离子电池的回收

1.5 三元正极材料回收再制备

1.6 本文的主要研究内容

第2章 实验材料与方法

2.1 实验材料与仪器设备

2.2 材料再制备方法

2.3 再制备材料的物理性能测试

2.4 电极的制备及电池的装配

2.5 再制备材料的电化学性能测试

第3章 回收溶解过程中对金属杂质离子控制的研究

3.1 引言

3.2 回收金属离子溶液的制备

3.3 对Al3+杂质离子控制的研究

3.4 对Cu2+杂质离子控制的研究

3.5 本章小结

第4章 三元正极材料回收再制备及其性能的研究

4.1 引言

4.2 铝杂质含量对再制备三元正极材料性能的影响

4.3 超临界工艺对再制备三元正极材料性能的影响

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果

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致谢