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随着工业化进程的目益加速和经济的高速增长,锂离子电池的生产和消费大幅度上升。虽然锂离子电池并不含有重金属或其它对环境有重大危害的成分,但是大量的废弃仍然能从堆积和电解质泄漏等方面给环境带来了一定的压力。更重要的是,锂离子电池中所消耗的大量金属元素具有很高的经济价值,并且是不可再生资源。如果废旧锂离子中的金属元素不回收,不仅会造成严重的环境污染,还会造成资源的浪费。由于废旧锂离子电池中钴、铁两种金属元素占了绝大部分,因此本文进行了以废旧锂离子电池为原料制备钴铁氧体的研究。
本研究是以硫酸加双氧水溶解的废旧锂离子电池溶液为原料,分别采用了水热法和溶胶凝胶法制备出了钴铁氧体。本文探讨了水热法制备钴铁氧体和溶胶凝胶法制备锂取代钴铁氧体的最佳工艺条件;并且讨论了水热法在沉淀过程中加入添加剂以及掺杂其它金属元素对产物的结构和性能的影响。在实验中,借助于XRD、取、SEM、TG-DSC和VSM等技术,对制备过程进行跟踪检测,并对钴铁氧体的微观结构和磁性能进行了表征。
研究结果表明:以NaOH为沉淀剂,采用水热法制备钴铁氧体的最佳工艺条件为钴铁比例为1:2,共沉淀pH值为11.0。适宜的水热温度为140℃:水热时间为12h。在沉淀过程中加入添加剂可以改变水热反应对产物的影响,加入适量冰乙酸有利于钴铁氧体的生成和磁性能的提高,但过量的冰乙酸的加入会使最终产物中含有乙酸根,同时也降低钴铁氧体的磁性能。而在沉淀过程中加入柠檬酸做添加剂则不利于钴铁氧体的生成。采用溶胶凝胶法制备锺取代钴铁氧体的最佳工艺条件为柠檬酸和总金属离子的摩尔比为1:1,pH值=7,煅烧温度为550℃;其它金属元素的掺杂并没有改变钴铁氧体的相结构,但不同金属元素的掺杂,随着掺杂量的不同,对钴铁氧体的性能影响也各不相同。其中钕和铬元素的掺杂有利于提高钴铁氧体的性能,而镉元素的掺杂则不利于提高钴铁氧体的性能。
本文的创新点是:首次以废旧锂电池为原料,采用水热法制备出性能优良的具有尖晶石结构的钴铁氧体。讨论了在水热过程中加入添加剂对产物制备过程及性能的影响,并初步探讨了添加剂的影响机理。研究了不同掺杂元素的不同掺杂量对钴铁氧体的影响,并初步探讨了掺杂的机理。
本文在研究回收废旧锂离子电池的同时,不仅回收了钴这种贵重金属,还考虑了废旧锂离子电池中其它元素,使其资源得到充分合理的利用,并制备出了附加值较高的钴铁氧体产品。本研究为废旧锂离子电池再资源化的工业化生产提供有益的基础数据,具有较高的理论意义和良好的应用前景,对环境保护意义重大,必将产生良好的社会经济效益。