【论文链接】
https://doi.org/10.1039/d4gc05048g
【作者单位】
新南威尔士大学等
【论文摘要】
为了开发废旧锂离子电池(LIBs)的可持续回收方法，使用可再生材料和最大限度地减少能源消耗至关重要。在这里，我们提出了一种基于生物质的能源密集型还原方法来从废旧锂离子电池中回收Li和Co。废弃咖啡粉被用作生物质，在还原过程中提供碳和还原性气体。在选择性热转化过程中，来自废弃咖啡粉的碳和还原性气体将锂离子电池正极材料LiCoO2转化为Li2CO3和Co/CoO，回收了89.23%的Li和93.27%的Co。与传统的碳热还原过程相比，由于还原气体和碳的协同作用，这种转变发生在较低的温度(600°C)。此外，从回收的Li2CO3和Co/CoO中再生出LiCoO2，在充放电容量、循环性能、倍率性能、EIS和CV曲线分析方面显示出优异的电化学性能。基于EverBatt的环境和经济分析表明，这种减排方法减少了温室气体(GHS)排放和能源消耗，在经济上是可行的。总的来说，本研究提供了一种利用废弃生物质回收废旧LIBs的环保和节能方法。此外，本研究将有助于实现多个可持续发展目标(SDGs)。
【实验方法】
阴极材料的回收与还原：
为了减少咖啡粉，将不同量的废咖啡粉与不同量的LiCoO2均匀混合在玛瑙研钵中，然后将混合物放入管式炉中，在400-800°C的温度范围内热处理90分钟。将部分热处理后的粉未溶解在王水体积比为3:1的HCL:HNO3溶液中，以测量Li和Co的浓度。剩余的热处理粉末进行水浸出。在水浸出过程中，将粉末放入去离子水中，保持固液比为20g/L，在室温下浸泡30分钟。然后将水浸出液通过滤纸过滤。固体颗粒沉积在滤纸上，而滤液在鼓风干燥箱中干燥以得到沉淀物。
在生物炭还原方面，将废弃的咖啡粉在管式炉中500°C恒温碳化120分钟，然后将碳化的咖啡粉与LiCoO2在玛瑙研钵中均匀混合。然后将混合物转移到管式炉中，在400-800°C的温度范围内加热90分钟。热转化后，产品与咖啡粉还原处理相同。在气体还原的情况下，将LiCoO2和废弃咖啡粉分别放入盛有匣钵。然后置于管式炉中，在400~800°C的温度范围内热处理90min。热处理后，对粉末的处理与咖啡粉还原和生物炭还原的过程相同。
再生工艺：
在750°C温度下，将回收的CoO煅烧30min使其转化为Co3O4。然后通过Li2CO3和Co3O4的固相反应，实现LiCoO2的再生。在该方法中，煅烧过程在950℃温度下进行13小时。为了补偿高温过程中Li2CO3的挥发，Li/Co比被设定为1.15。
【图文摘取】
【主要结论】
总之，废咖啡粉被认为是一种通过温和的高温火法工艺从废旧锂离子电池中回收Li和Co的潜在还原剂，具有成本效益和环境友好性。该方法具有成本效益和环保性。锂和钴的最大回收效率分别为89.23%和93.27%。生物质通过产生高活性气体如H2、CO2和CO作为还原剂，将温度降低到600°C。为了从热解产物中分离锂和钴，采用了水浸法。这种方法更加环保和经济，因为它消除了使用强酸、强碱和溶剂。此外，再生后的LiCo02表现出优异的电化学性能，充电和放电容量分别为278.9和225.2 mAh/g。再生后的LiCo02的循环性能显示经过100次循环后，保持189.1mAh/g的放电容量容量保持率为83.2%。即使在最高速率5C下，再生后的LiCo02的速率性能为77.6mAh/g，库伦效率接近100%。这项研究为从废旧锂离子电池中再生LiCo02提供了一种新方法，可用于新锂离子电池的阴极材料。总体而言，所提出的基于生物质的还原技术为处理废旧锂离子电池提供了一种经济且环保的方法。本研究还对实现多个可持续发展目标做出了重要贡献。我们发现，我们的研究与可持续发展目标7、可持续发展目标8、可持续发展目标9、可持续发展目标11、可持续发展目标12、可持续发展目标13和可持续发展目标15密切相关。未来，不同类型的生物质可以应用于回收包含不同类型阴极材料的不同类型的锂离子电池，如锂镍锰钴氧化物(LNMCO)和锂锰氧化物(LMO)。
