廢舊堿性鋅錳電池和廢舊鋰離子電池資源化研究.pdf

1、根據(jù)液相化學(xué)制備原理、材料化學(xué)合成原理和磁學(xué)理論，利用光譜學(xué)方法和顯微分析技術(shù)，充分運(yùn)用化學(xué)工藝學(xué)、化學(xué)反應(yīng)工程及環(huán)境工程等理論知識，在對廢舊堿性鋅錳電池和廢舊鋰離子電池溶解和處理的同時，借助紅外光譜儀(IR)、電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP-AES)、X-射線衍射儀(XRD)、同步熱分析儀(TG/DSC)、掃描電鏡-能譜儀(SEM-EDS)、透射電鏡(TEM)、振動樣品磁強(qiáng)計(VSM)等手段研究了以廢舊堿性鋅錳電池和廢舊鋰離子電池為

2、原料制備鐵氧體材料和三元鋰離子電池正極材料。考查了不同制備方法對制備材料微觀結(jié)構(gòu)和磁性能的影響，從而確定適宜的制備工藝，并提出干凝膠自蔓延燃燒法的燃燒機(jī)理和溶膠凝膠法合成材料的機(jī)制。初步認(rèn)識制備方法對制備材料微觀結(jié)構(gòu)和磁性能的關(guān)系。具體研究內(nèi)容和結(jié)論如下:
　　(1)對于廢舊堿性鋅錳電池，首先，對其在硝酸溶液中溶解條件進(jìn)行研究，并通過正交實驗設(shè)計優(yōu)化溶解條件，最終得出在硝酸中溶解的適宜條件為:硝酸濃度6mol/L，液固比13.6，

3、雙氧水質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.5％，反應(yīng)溫度60℃，反應(yīng)時間25 min。然后，以上述溶解溶液為原料，檸檬酸為凝膠劑，通過溶膠-凝膠自蔓延燃燒法和微波輔助加熱相結(jié)合制備出錳鋅鐵氧體材料。借助相關(guān)技術(shù)手段對所得產(chǎn)品進(jìn)行表征。IR和TG/DSC檢測結(jié)果顯示溶膠-凝膠自蔓延燃燒過程的實質(zhì)是發(fā)生了氧化還原反應(yīng)。研究表明，將錳鋅鐵氧體前驅(qū)體粉末在120℃條件下微波加熱15min，即可獲得具有尖晶石結(jié)構(gòu)的錳鋅鐵氧體材料，該方法制備產(chǎn)品的飽和磁化強(qiáng)度比單一通過溶

4、膠-凝膠自蔓延燃燒過程制備錳鋅鐵氧體的飽和磁化強(qiáng)度高7倍。
　　(2)對于廢舊鋰離子電池，首先用N-甲基吡咯烷酮(NMP)作為超聲溶劑對正極材料進(jìn)行處理，正極材料活性物質(zhì)完全可以同鋁箔集電體分離。將分離的正極材料活性物質(zhì)在750℃條件下煅燒4h，得到煅燒后產(chǎn)品;用濃硝酸對其進(jìn)行微波輔助加熱處理，過濾，得到浸出殘留物。采用相關(guān)技術(shù)手段對處理產(chǎn)物進(jìn)行組成和結(jié)構(gòu)分析。結(jié)果顯示:含碳有機(jī)物和聚偏氟乙烯(PVDF)在煅燒階段能被除去。利用微

5、波消解對煅燒后產(chǎn)品進(jìn)行消解處理，鈷酸鋰正極材料基本可以完全溶解。超聲波超聲機(jī)理為超聲波空化作用，加速對流運(yùn)動。其次，優(yōu)化被分離的鋁箔集電體在氫氧化鈉溶液中的溶解條件，得到溶解鋁箔的適宜條件為:氫氧化鈉濃度1 mol/L，反應(yīng)溫度50℃，反應(yīng)時間15 min，固液比0.05 g/mL，pH值為8。另外，本實驗分別通過干灰化法和微波消解法對廢舊鋰離子電池隔膜進(jìn)行處理，采用ICP-AES同時測定隔膜中Zn、Pb、Cd、Mn、Fe、Mg、Ca、

6、Cu、Na9種金屬元素，目的在于建立處理和測定隔膜中金屬元素的分析方法。結(jié)果顯示:ICP-AES測定兩種方法處理的隔膜金屬元素含量相差不大;不同隔膜中金屬元素含量存在差異，Ca和Na在兩種鋰電池隔膜中含量最高，Mg和Fe含量次之，Cu和Zn含量最少。該研究為隔膜中金屬元素的資源化提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和分析方法。最后，以硝酸溶解廢舊鋰離子電池正極材料為原料，分別以乙二醇和檸檬酸為凝膠劑，通過溶膠-凝膠法制備出具有尖晶石結(jié)構(gòu)的Co0.8Fe2.2

7、O4磁性材料。借助相關(guān)技術(shù)手段對產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)、晶型、形貌、樣品磁性能進(jìn)行表征。推測乙二醇制備鈷鐵氧體的機(jī)理是凝膠劑先和金屬反應(yīng)生成金屬絡(luò)合物;隨著溶液氫氧根濃度的增加，生成混合氫氧化物沉淀;經(jīng)煅燒處理，生成鈷鐵氧體。檸檬酸制備鈷鐵氧體的機(jī)理是溶膠-凝膠自蔓延燃燒過程發(fā)生了氧化還原反應(yīng)。結(jié)果顯示:乙二醇和檸檬酸參與條件下制備出的Co0.8Fe2.2O4飽和磁化強(qiáng)度分別為61.96 emu/g和52.49 emu/g。又以檸檬酸為凝膠劑通過鎳

8、摻雜制備出的Co0.8Fe2.2O4飽和磁化強(qiáng)度可達(dá)到58.65 emu/g。摻雜鎳后鈷鐵氧體飽和磁化強(qiáng)度增加的原因是鎳離子半徑比鈷離子半徑小，易于占據(jù)鈷離子在四面體中的A位，提高了晶體中離子排列的有序度。
　　(3)以混合廢舊堿性鋅錳電池和鋰離子電池為材料，成功制備出LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2鎳鈷錳三元鋰離子正極材料。整個研究包括混合電池的溶解過程，共沉淀過程，煅燒過程，電池制備過程和電池充放電測試過程。對制備的Li