【废旧锂电池回收】ACS SCE:通过三元深共晶溶剂增强锂离子电池阴极的快速高效回收—Fengyi Zhou

文摘   2024-12-18 19:00   北京  
【论文链接】
https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.4c06556
【作者单位】
中国人民大学等
【论文摘要】
废旧锂离子电池(LIBs)的快速增长引发了对关键金属供应链和环境影响的担忧,强调了对高效回收技术的迫切需求。由于具有降低能耗和避免使用腐蚀性酸的潜力,深度共晶溶剂(DESs)被广泛研究用于选择性浸出和回收废LIBs中的有价金属。人们普遍认为,具有高酸度、配位性、还原性和低粘度的 DES 可以有效地溶解正极材料。但是,很难设计出同时满足所有这些要求的二元DES组合。在此,本研究侧重于三元DES 的设计,利用其组分的协同效应来实现强配位和低粘度、增强的酸度和可还原性,从而有效地提取有价值的金属。具体来说,ChCl/CuCl:4Levulinic酸表现出卓越的浸出能力,可在10分钟内回收超过 90% 的LiCoO2。此外,为保证回收金属产品的纯度,研究了ChCl/LiCl:8Levulinic酸以实现高效的浸出、回收和 DES 再生过程。经验证,ChCl/LiCl/8Levulinic酸具有较高的浸出效率和良好的循环稳定性,回收工艺方便。总体而言,这项工作展示了定制的三元DESs在阴极材料高效浸出方面的潜力,并提出了一种可持续的工艺,以实现从废LIBs阴极和DESs再生中回收金属。    
               

 

               

 

【实验方法】
浸出实验:
在浸出实验中,将120 mg LCO和2g DES加入玻璃小瓶中,在特定温度下以300 rpm搅拌加热。对浸出时间(10 min~24 h)和温度(60~100℃)进行了优化。浸出实验结束后,将浸出液用0.25 M硝酸溶液稀释,用ICP-OES进行金属分析。定量实验重复三次并取平均值,以尽量减少误差并确定再现性。
金属回收和DES再利用:
以无水草酸为沉淀剂,采用化学沉淀法回收Ch-Li-8LA和Ch-Cu-4LA中溶解的钴离子和锂离子。先用乙醇稀释Ch-Cu-4LA渗滤液,再加入H2C2O4;60℃加热搅拌3h后,10000 rpm离心15 min得到沉淀。在提取钴和锂元素后,DESs可以通过添加的乙醇蒸发直接回收,然后再利用。同时,用无水乙醇洗涤沉淀物,去除残留的DES,将粉色混合物在60℃真空烘箱中干燥,加入一定体积的去离子水,50℃搅拌,使草酸锂充分溶解。离心分离法选择性分离出浅粉色的Co2C2O4·2H2O沉淀,而锂离子则留在浅蓝色的Cu2+水溶液中。通过加入过量的草酸并离心,以沉淀的形式除去Cu2+,得到的上清液在真空烘箱中加热蒸发水分,得到白色草酸锂粉末。    
将Ch-Li-8LA渗滤液用水稀释后加入H2C2O4中;60℃加热搅拌3 h后,10000 rpm离心15 min得到粉色沉淀。将Co2O4·2H2O沉淀物用无水乙醇和水洗涤,去除残留的DES,然后在真空烘箱中干燥,用于后续分析。在得到的上清液中水分蒸发后,观察到底部有白色沉淀,为Li2C2O4。沉淀物经离心分离,上清为再生的DES,白色沉淀物用乙醇洗涤,烘箱烘干分析。将Co2C2O4·2H2O在500℃下煅烧5 h,得到黑色的氧化钴(Co3O4)。再生的DES可以在另一个循环中使用。
               

 

【图文摘取】
   
【主要结论】
设计了8种基于ChCl、LA和各种金属氯化物的三元DESs,它们具有增强的酸性、还原性、配位能力和低粘度,可以有效地从废锂电池阴极中提取有价金属。在最佳条件(100℃、30 min、固液比40 mg/g)下,ChCl/CuCl/4levulic酸对钴(Co)的浸出率为100%,对锂(Li)的浸出率为96.3%。同样,ChCl/LiCl/ 8levulic酸在稍作改变的条件下(100°C, 60 min,40 mg/g固液比),Li和Co的浸出效率分别为96.4%和90.1%。含有不同金属氯化物的三元DES可用于回收相应的金属氧化物,有利于保证金属制品的纯度,如LiCl基DES有利于回收LIBs阴极。草酸可有效回收渗滤液中的金属离子。此外,这两种DESs都可以重复使用,ChCl/LiCl/ 8levulic酸具有较高的循环稳定性,至少可以连续循环3次。总体而言,本研究设计了具有协同效应的新型三元DESs,并提出了从LIB阴极中浸出和回收有价金属的可持续和高效策略。尽管该工艺在金属回收和DES回收方面具有良好的性能,但需要进一步研究DES的稳定性和再生效率、大规模材料成本和大型反应器中的反应动力学,以提高实际工业应用的经济效益和可持续性。

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