电极废料LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2的回收再利用

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锂离子电池因具有循环寿命长、工作电压高、安全性能高、环境友好度强等优势而被广泛利用,但是锂离子电池的生产导致大量尚未组装成电池的电极废料产生,若不加以回收利用,既会对环境产生危害也会造成资源的浪费,在关于锂离子电池回收的方法中,主要集中在将废旧电池所含金属单独回收,这种回收方法较为复杂,因此本文将把研究重点置于电极废料LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2的回收流程的简化方面并主要分为三个部分进行研究。(1)研究电极废料预处理以及去除粘结剂PVDF的最佳条件,为下一步的回收利用提供原材料。采用控制变量法研究了溶剂种类、超声时间等因素对剥离效率的影响,随后对获得的有机溶剂滤液离心后进行煅烧,确定去除粘结剂的最佳条件。确定最佳预处理条件是以N-甲基吡咯烷酮(NMP)为溶剂,按照先搅拌后超声清洗的步骤,在搅拌时长60 min、搅拌温度60℃、固液比1:30g·mL-1、超声时长120 min的条件下对电极废料进行预处理,最佳剥离效率可达到93%,在煅烧温度为800℃可有效去除PVDF。(2)研究了有机溶剂滤液(由溶解了阴极材料的NMP溶液经过抽滤去除铝箔获得)为原料,通过在不同温度煅烧3 h后所制备的材料(R-LNCM)的电化学性能,确定其最佳的煅烧温度。实验表明,在煅烧温度为800℃时的阴极材料层状结构与阳离子混排程度优异并具有较佳的电化学性能。在2.75-4.5 V的电压区间、0.2 C的倍率下,首周放电比容量为164.2 mAh·g-1,循环50周后,放电比容量为132.4 mAh·g-1,容量保持率为80.6%,这是因为800℃煅烧后的材料颗粒分布均匀且表面有碎裂的小颗粒,增加了材料与电解液的接触面积。(3)研究了将800℃煅烧后的阴极材料(R-LNCM)使用柠檬酸溶解的最佳条件并利用酸溶解后的滤液和乙酸盐为原料重新制备三元材料进行性能的比较。直接利用酸溶解滤液制备三元材料避免了复杂的金属分离步骤,操作更加简单高效。实验表明,在柠檬酸浓度1 mol·L-1、过氧化氢比例2 vol%、固液比30 g·L-1、反应时长80 min、反应温度80℃的条件下可达最佳酸溶解率99%。采用机械化学法制备的最佳再生材料首周放电比容量为149.9 mAh·g-1,循环50周后,放电比容量为138.7 mAh·g-1,容量保持率为92.5%。采用溶胶凝胶法制备的最佳再生材料首周放电比容量为158.9 mAh·g-1,循环50周后,放电比容量为132.4 mAh·g-1,容量保持率为83.3%。两种方法制备的再生材料与合成材料电化学性能相差不大,但是机械化学法制备的再生材料颗粒尺寸小且分布均匀,使锂离子的利用率提高,因此机械化学法制备的三元材料表现出更好的电化学性能。
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