鋰電池中有價金屬浸出回收工藝研究

練俊杰

（惠州市億緯鋰能有限公司，廣東 惠州 516000）

鋰離子電池已經被廣泛應用于儲備電源、電動汽車。便攜式設備等領域當中，受到了人們廣泛的關注。鋰電池的優勢在于其體積相對較小、能量密度高、對環境友好且使用壽命長，因此鋰離子電池的應用也被視為時可持續交通系統動力源的最佳手段[1]。同時，由于鋰電池的需求量不斷增加，使得在生產過程中以及使用壽命之后會產生大量的廢氣鋰電池。鋰電池內部有價金屬尤其是稀有金屬可以通過回收再利用的形式提高鋰電池的經濟效益。同時考慮到廢氣鋰電池對環境造成的危害會造成不利于可持續發展的問題，本文開展對鋰電池中有價金屬浸出回收工藝的研究。

1 鋰電池中有價金屬浸出回收工藝研究

本文提出的鋰電池中有價金屬浸出回收工藝主要步驟可分為三步，分別為：第一步，鋰電池前處理工藝。通過物理手段處理廢氣的鋰電池；第二步，鋰電池正極材料浸出。將正極材料從溶液當中浸出，并將各種金屬材料以離子的形式融入在溶液中；第三步，有價金屬材料回收分離。對浸出后溶液中的有價金屬分離并分別回收。下面本文將對回收工藝的三個步驟進行詳細的設計說明。

（1）鋰電池前處理工藝。鋰電池有價金屬浸出通常是在廢舊鋰電池中進行，首先采用機械分離的方法將鋰電池的外殼去除，并將鋰電池內部各類材料進行富集濃縮處理，方便后續熱處理和溶解回收工序。由于鋰電池的體積相對較小，其結構更加復雜、精細，內部化學組成包括多種金屬材料、無機物以及有機物，只通過機械分離方法很難將鋰電池內部的各類材料徹底的分離。因此本文選用熱處理的方法對機械分離后的鋰離子電池進行處理，去除鋰電池材料中難溶于水的聚合物、有機物以及碳粉等，并將鋰電池中的電極材料和集流體分離。通過熱處理后的鋰電池材料粘結劑和電炭黑被有效的清除。但需要注意的是，在實際操作過程中熱處理分離方法消耗的能量較大，去除的有機粘結劑以及其它添加的成分會通過高溫加熱的形式轉變為其它對人體有害的物質，因此在熱處理時應當加裝特殊的氣體采集凈化裝置。同時在高溫狀態下，熔融的金屬材質會包覆著活性物質，例如鈷酸鋰等，會造成有價金屬的浸出受到一定的影響。因此還需要利用溶解法對鋰電池進行進一步的處理。采用強極性的有機溶劑溶解鋰電池電極上的粘結劑聚偏氟乙烯，使熔融的集流體金屬上的鈷酸鋰脫落，從而簡化鋰電池的回收工藝流程，提高對有價金屬的回收效果。在實際應用中，不同鋰電池的制造廠商制造的鋰電池電極的方法不同，使用的粘結劑也存在差異，因此鋰電池中活性物質從集流體中脫落的情況存在一定差異，因此，在實際操作時應當根據情況適當增加或減少有機溶劑的量。

（2）鋰電池正極材料浸出，通過上文處理后得到的鋰電池電極材料還需要對其正極材料進行進一步的浸出操作。本文選用強酸浸出的方法對鋰電池正極材料中的有價金屬從正電極固體粉末中轉移到溶液當中，并與電炭黑、有機粘結劑等成分分離從而為后續的有價金屬提純操作提供原材料。在浸出過程中強酸會產生大量的酸性氣體和酸性液體，因此處理過程較為復雜，強酸的腐蝕性對設備的要求也較高，因此在一定程度上也增加了回收工藝的成本。針對這一問題，本文選用有機酸作為浸出劑，將鋰電池中的有價金屬浸出，通過實際操作得出有價金屬的浸出率可高達94.2%以上。對于濃度低的有價金屬含量溶液也可通過生物浸出的方法將其浸出。利用具有特殊選擇性的微生物菌種群，在其代謝的過程中實現對鋰電池中有價金屬的浸出和提取。利用該方法可以有效緩解強酸浸出方法中強酸的消耗，提高對有價金屬的溶出率，降低成本。

（3）有價金屬材料回收分離。通過上述方法浸出后的溶液中存在多種不同的金屬元素，因此還需要將有價金屬材料送溶液中分離，本文采用共沉淀的方法回收溶液中的有價金屬離子。首先在浸出溶液中添加碳酸鹽，當碳酸鹽與溶液中的有價金屬發生反應是會產生不易氧化的沉淀物質。再將沉淀物質浸出，并在70℃，pH為6.5的環境中制備15μm左右的球形前軀體，通過400℃的預處理后，高溫煅燒制備陽極材料，并在電流為15mA/g，電壓為1.6V～3.5V，首次放電比容量為135mAh/g的條件下得到倍率性能優異的有價金屬。在共沉淀法合成鋰電池正極材料時，前軀體的合成十分關鍵，在其反應過程中，濃度、溫度以及pH值的控制都會對有價金屬材料的顆粒形貌以及電化學性能造成一定影響，因此在實際操作過程中要嚴格按照規定用量，從而從鋰電池中浸出電化學性能良好的有價金屬。

2 實驗論證分析

圖1 實驗結果對比圖

實驗材料選用某地區廢氣鋰電池處理廠中的鋰電池材料。回收的廢舊鋰電池中可能存有少量的電量，因此在實驗前首先要對鋰電池進行氯化鈉溶液浸泡放電處理，防止在后續實驗過程中出現爆炸。完成準備工作后，分別用本文提出的回收方法與傳統的回收方法對鋰電池材料中的有價金屬浸出，設本文方法為實驗組，傳統方法為對照組，并利用ICP—OES分析實驗式樣中的有價金屬元素，并將分析結果繪制成如圖1所示的實驗結果對比圖。

由圖1中的兩條實驗結果曲線可以看出，實驗組有價金屬的浸出率明顯高于對照組。在6min時間內，實驗組的浸出率可大75.2%以上，而對照組最高的浸出率為36.7%。因此通過對比實驗證明，本文提出的鋰電池有價金屬浸出回收工藝與傳統回收工藝相比浸出率更高。同時在本文回收工藝過程中使用的危險材料較少，因此進一步實現了對鋰電池中有價金屬的安全、環保的回收。

3 結束語

廢舊鋰電池的數量日益增加，如何利用環保、經濟的手段對林電池中有價金屬浸出回收是目前急需解決的問題。本文針對這一問題提出了一種全新的浸出回收方法，可以有效滿足循環經濟的發展需要。在后續的研究中還將對鋰電池有價金屬浸出回收工藝中的預處理和污染防治、正極材料回收以及負極材料回收等方面的內容進行過增加深入的研究，從而實現鋰電池的無害化。