编号：FTJS107861
篇名： 退役锂电材料与高冰镍协同处理研究
作者： 还红先
关键词： 高冰镍; 退役锂离子电池; 协同焙烧; 优先提锂;
机构：中南大学
摘要： 高冰镍作为我国镍精炼的重要中间产物,其精炼工艺已得到广泛应用。但传统镍精炼过程多为湿法工艺,存在废水废渣量大、操作工艺复杂等不足。同时,近年来大量退役的锂离子电池中富含锂、镍、钴、锰等有价金属,其含量远高于天然矿石。如何改善常规高冰镍精炼工艺弊端,实现高冰镍中镍的常压浸出和退役锂电资源综合利用,对缓解资源紧张、促进新能源产业发展至关重要。 本研究提出“协同焙烧-水浸提锂-常压酸浸提取有价金属”的新思路。该方法通过协同焙烧将锂选择性硫酸化的同时,将高冰镍中的镍及退役锂电材料中的镍、钴、锰元素形成氧化物,实现了冶金工艺单元的一体化耦合。 论文取得的主要研究成果如下: （1）研究了高冰镍与退役锂电材料的元素赋存状态,确定了两种原料的主要成分特征。退役锂电材料中元素种类较多,主要含有锂、镍、钴、锰和碳。主要物相为石墨、Li Co O2、Li Mn2O4、Li Mn0.3Co0.2Ni0.5O2。高冰镍物料中主要元素为镍、硫、铁和氧,主要物相为Ni3S2、Fe2O3、Ni。 （2）系统研究了协同焙烧过程中高冰镍与退役锂电材料的反应路径与机理。采用热力学计算,证明协同焙烧对选择性提锂有良好的热力学趋势。在空气足量,焙烧温度高于700℃的情况下,正极材料中的Li能与高冰镍自发反应,转化为Li2SO4,Ni、Co、Mn转化为相应的氧化物,实现锂的优先提取和其余金属的常压浸出。研究了焙烧过程的反应路径及机理。在10～468℃,主要发生石墨氧化生成CO2的反应;在468～634℃,主要发生正极材料的分解并形成各自的硫酸盐和氧化物,高冰镍转化为Ni SO4、Ni S、Ni O和SO2;在634～843℃,Ni、Mn和Al的硫酸盐发生分解反应并形成各自氧化物。Ni S进一步氧化并与Li形成Li2SO4;在843～1140℃,Li2SO4分解并与Al形成难溶的Li Al O2,少量镍钴氧化物被还原为金属。 （3）优化了协同焙烧过程中焙烧温度、焙烧时间、S/Li比及高冰镍粒度对金属浸出率的影响。发现在550～850℃,焙烧温度升高有利于提高Li的浸出率。但是在650～850℃,Ni、Co、Mn、Al形成硫酸盐并进入水溶液中,影响Li的分离效果。当温度升至900℃,Li的浸出率下降至88.12 wt.%。采用响应曲面设计获得最佳实验参数,在焙烧温度850℃,焙烧时间3h,S/Li比1.39:2条件下。Li、Mn浸取率达到最优值,为96.03 wt.%、0.01 wt.%。 （4）优化了浸出条件并制备Li2CO3产品。在水浸时间30 min的条件下,Li的浸出率为96.03 wt.%。调节p H值,将含Li溶液中的杂质金属元素沉淀法去除,最终得到纯度为98.81%的Li2CO3产品。采用硫酸浸出对水浸渣中的Ni、Co、Mn进行提取,通过单因素实验考察硫酸浓度、过氧化氢浓度、浸出温度对各金属元素浸出率的影响,优化工艺条件。在硫酸浓度3 mol/L,浸出温度90℃,过氧化氢浓度5 vol.%,液固比20 m L/g的条件下,Ni、Co和Mn的浸出率分别为99.10 wt.%、96.74 wt.%、90.23 wt.%。