新型深共晶溶剂用于高效提取回收废弃锂离子电池正极活性材料的基础研究

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深共晶溶剂(Deep eutectic solvents,DESs)作为一种新型的绿色溶剂,是由氢键供体(有机酸和酰胺等)和氢键受体(氯化胆碱和有机醇等)形成的室温液体,因其溶解能力强、可循环使用等优势,成为废弃锂离子电池(LIBs)正极活性材料回收研究的热点。然而,目前报道的DESs浸出体系存在溶剂粘度高、浸出条件苛刻和有价金属难以回收等缺点,限制了其工业化应用;而解决问题的关键在于DESs高效配位组分与选择性还原及氧化体系的协同构建。基于此,本论文针对废弃LIBs正极活性材料的组成特点,设计并合成了系列新型DESs浸出体系,系统研究了其对金属元素浸出与分离的影响规律,揭示了高效选择性回收机理。结合多种金属回收工艺特点,实现了 DESs循环利用和有价金属的高效温和提取与回收。针对LiCoO2和废弃LIBs三元正极活性材料Li14.8Ni1.7Co8.5MnO30.5的组成特点,选择低粘度组分乙二醇(EG)和强配位组分二水合5-磺基水杨酸(SAD),设计合成了强配位能力低粘度的酸基DES(12 mol乙二醇和1 mol二水合5-磺基水杨酸组成的溶剂,12EG:1SAD),实现了有价金属的高效温和提取回收。详细探讨了 DES组成与浸出条件对LiCoO2浸出效率的影响,阐明了浸出反应机理。结果表明,在最优条件下(110℃、6h、40g/L、12EG:1SAD),两种活性材料中金属元素的浸出效率均超过93.5%。LiCoO2利用溶剂中H+的置换反应完成Li+的浸出;同时,中间体H-Co(Ⅲ)O2基于乙二醇和5-磺基水杨酸的还原-配位反应生成可溶性的配合物Co(Ⅱ)-SA(Co2+-C7H406S),获得钴的高效溶出。锂和钴的浸出过程均受界面化学反应控制,其表观活化能分别为77.38kJ/mol和79.54kJ/mol。随后,结合草酸沉淀法和蒸馏工艺,实现了浸出液中钴的高效回收(99.5%,CoC2O4·2H2O)和DES的再生;溶剂循环使用三次,锂和钴的浸出率(ηLi和ηCo)始终大于91.2%。采用减压蒸馏-高温煅烧方法实现了含锂溶液中乙二醇的再生和锂的回收,获得了产物Li2SO4。进一步地,以LiCoO2和Li14.8Ni1.7Co8.5MnO30.5为研究对象,选择低粘度弱配位组分乙二醇和选择性配位沉淀组分二水合草酸(OAD)为原料,设计并制备了双功能低粘度的酸基DES(5 mol乙二醇和1 mol二水合草酸组成的溶剂,5EG:1OAD),一步实现了锂的高效选择性浸出与过渡金属草酸盐沉淀的分离。系统研究了实验条件对于锂和过渡金属浸出的影响,揭示了选择性提取分离机制。研究表明,在最佳浸出条件下(90℃、5EG:1OAD、12h和16 g/L),ηLi大于 94.1%,而ηNi/Co/Mn 小于 1.2%,且以(Ni,Co,Mn)C2O4·2H2O沉淀形式存在。DES中草酸和乙二醇的协同配位与后还原反应历程是原位高效浸提与分离的关键。浸出液循环浸出LiCoO2三次后,ηLi接近100%而ηCo接近0%,表明DES具有良好的循环稳定性。另外,采用常压蒸馏法,实现了乙二醇的再生和锂的回收(锂的回收效率达到96.4%,产品为Li2C204)。针对废弃LIBs正极活性材料LiFePO4,设计并构建了 DES(8乙二醇:1氯化胆碱,8EG:1CC)协同臭氧的选择性氧化浸出体系,原位一步完成了锂的高效选择性提取,以及与铁的分离。基于不同实验条件对LiFePO4浸出效果的影响规律,阐释了浸出机理。研究发现,含有水分的空气源臭氧气氛的浸出性能最佳;在最优条件下(6h、20g/L、8EG:1CC、40℃),ηLi>92.2%而ηFe<1.6%,且铁以FePO4沉淀形式回收。臭氧条件下DES组分中羟基预氧化成羧基,协同中间体H-Fe(Ⅱ)PO4被臭氧氧化为Fe(Ⅲ)PO4沉淀,成为DES选择性协同氧化浸出LiFePO4的核心所在。另外,当采用8EG:1CC循环浸出LiFePO4十次时,ηLi和ηFe的平均值分别为85.4%和2.0%。浸出液经过常压蒸馏处理后(150℃-0.5h),其中的微量杂质铁(FeCl4-、FeCl2+和FeCl3(aq))以FePO4·3H2O形式去除,最终得到了较高纯度的LiCl。综上所述,基于合成的三种新型DESs,实现了不同废弃锂离子电池正极活性材料中有价金属的高效提取回收,并获得了 Li2SO4、Li2C2O4、LiCl和CoC2O4·2H2O等多个产品。整个实验流程避免了强酸强碱的使用和废水的排放,为废弃锂离子电池的高效绿色回收提供了新的途径。
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