【《废旧电池中锂物种的回收实验探究》12000字】

废旧电池中锂物种的回收实验探究摘要如今随着对锂电池的商业化开发进展，越来越多的锂电池被应用于手机、电动汽车等领域，但是锂电池的寿命一般为2到4年左右。废弃手机电池则会越来越多，如果不对其进行回收，则会对环境造成污染，以及电池电极中锂、铁、钴的浪费。因此对于锂电池的回收工作就显得尤为重要。但是目前中国审批下来的正规锂电池回收厂家仅仅只有400多家，这对于庞大的中国市场来说是远远不够的，而归根结底是因为锂电池的回收流程体系不完善，回收技术落后以及回收回报率较低。本文主要是对废旧锂离子电池进行处理，其中主要研究的是回收以钴酸锂为正极的锂离子电池中的锂元素。通过用硫酸和还原剂硫代硫酸钠进行酸浸浸出。最佳条件为：氢离子浓度为3.5mol/L，硫代硫酸钠溶液浓度为0.25mol/L，90℃，3.5h，浸出效率可达到97％以上。沉锂工艺需要加入适量的Na2CO3，此时可以得到Li2CO3沉淀。采用上述方法，回收率可达到90％。同时对比试验用到柠檬酸酸浸，使用硫代硫酸钠进行还原，其最佳条件是：柠檬酸的浓度为1.4mol/L，酸浸时间在30分钟，硫代硫酸钠的浓度为3mol/L，酸浸温度在70摄氏度，酸浸效率可以达到95.77％。关键词：废弃锂电池Li2CO3回收目录第一章前言 11.1序言524 11.2锂电池的组成 11.3锂电池的概况 21.4锂电池回收的方法与步骤17 31.4.1锂电池的前处理 31.4.2锂电池的拆解 31.4.3电极材料与集流体的分离 有机分离法 高温处理法 碱溶液溶解铝箔 酸性浸出 41.6锂电池中锂元素的回收方法51.6.1化学沉降 51.6.2溶剂萃取 51.6.3锂元素的富集 5实验过程 6250442.1实验仪器和药品 68692.1.1药品与试剂 693152.1.2仪器和设备 62.2外壳与内部物质的分离 62.3负极材料的处理 72.4正极材料的处理 72.4.1正极集流体的回收 72.4.2正极活性物质的研究 825003Na2S2O3和H2SO4还原LiCoO2 815117Na2S2O3和柠檬酸还原LiCoO2 92.5制备磷酸锂92.5.1实验原理92.5.2实验过程102.6灼烧正极活性物质10287662.7样品的表征与分析方法 10304252.7.1X射线衍射（XRD）分析 10第三章结果与讨论 113.1锂电池的各物质含量 113.2不同浓度氢氧化钠溶液溶解正极集流体 123.3灼烧正极活性物质的结果与讨论 123.4正极活性物质LiCoO2转变为碳酸锂的结果与讨论13125943.4.1硫酸和硫代硫酸钠还原LiCoO2的结果与讨论 133665硫酸的浓度对反应的影响 137716硫代硫酸钠的浓度对反应的影响 139286酸浸温度对反应的影响 1412154酸浸时间对反应的影响 1419845LiCoO2的表征 15147863.4.2柠檬酸和硫代硫酸钠还原LiCoO2结果与讨论 1518734酸浸时间对反应的影响 1514924酸浸温度对反应的影响 1619005柠檬酸浓度对反应的影响 1618825硫代硫酸钠的浓度对反应的影响 1719669LiCoO2的表征 183.5不同酸对LiCoO2酸浸效率的影响183.6磷酸锂的表征18结论 20参考文献 ..23 第一章前言1.1序言废弃的锂电池对于环境以及人体的健康都是存在着较大的危害和威胁,虽然在废弃的锂电池中并没有使用如汞、铅等其他重金属元素但是它们表面材料铝，以及塑料等都会对环境造成污染。比如一些负极活性碳粉，正极活性物质中包含的金属离子，以及一些电解液等都会加重对环境污染，如电解液能严重地污染水源以及改变农作物所处土壤的酸碱度值，造成环境粉尘污染等[1]。而且电池中所含有的金属离子以及电解液会对人体造成巨大的伤害，比如最常见的钴酸锂电池的钴离子，接触人体会造成皮炎，过量的钴离子会是人体免疫力低下，从而诱发癌症。而且废弃锂电池中的电解液大多数有剧毒的，如果废弃锂电池没有专门的工厂进行回收，那么这些电池外壳破损后，里边的电解液会泄露到大自然中，不仅仅会对土地造成不可挽回的危害，同时也会通过农作物等富集在人类的身体里边，久而久之会对人们的身体健康也造成不可挽回的危害。北京理工大学教授吴锋曾公开表示：1个20克的手机电池可污染3个标准游泳池容积的水，若废弃在土地上，将来还会对土壤直接造成50年左右的严重污染[2]。所以面对当今的土壤、水源污染问题也需要去回收废弃锂电池。而且废弃的锂离子电池中含有较多可以回收的金属，如铜、铝、钴等，根据这几年的价格走势来看废弃锂离子电池中含有的大量金属元素都有回收的必要。其中大部分电池的外壳是由铝构成的，而铝则是我国日常消耗的金属中最多的几种之一。而且废弃的锂电池中还包含有大量的贵金属，比如铜等，我国是一个拥有巨大市场的国家，对于锂电池的使用消耗的数量可以说是巨大的，而这些在废弃锂电池中的贵金属在我国的含量也并不算过多，所以从资源保护的角度来看我们也是有必要去回收的。据有关部门统计,2017年,锂离子电池产量为134.1亿只，同比增长34.3%；2018年1~10月,锂离子电池产量达到113.9亿只，同比增长11.0%[2]。据估计在2019年~2023年间我国锂离子电池产量平均增长率将高达16.43%，2023年我国锂离子电池的产量将高达283亿只。如此大量的锂离子电池使用量必将带来大量的废旧锂离子电池，也会带来一系列因为废弃锂离子电池的回收而产生的难题和挑战，所以国家的相关部门人员看见了废弃锂电池回收市场回收的难处也发布了一系列的政策去扶持。在今年初，工信部、商务部、科技部公布《有关加快推进再生资源产业发展的指导意见》，其中强调开展新能源汽车动力锂电池回收利用试点，建立完善废旧锂电池资源化利用标准体系，推进废旧动力锂电池梯级利用。所以在科技的不断进步的背景以及国家政策的扶持下，废弃锂离子电池的回收发展路程也会越来越顺利，能快速开发出越来越多的新型路径去面对错综复杂的废弃锂电池回收市场。1.2锂电池的组成表1-1常见一般电池的组成[3]主要结构主要材料组成含量/w%电池外壳铝壳(铝壳电池)、铝塑复合膜(软件及聚合物电池)20-25正极钴酸锂、镍酸锂、镍钴二元材料、镍钴锂和镍钴锰三元材料、磷酸铁锂等25-30负极含碳石墨材料14-19隔膜PP/PE5集流体铝箔(正极)、铜箔(负极)10-16电解液LiPF6溶液、碳酸乙烯酯10-15通过上表我们可以清楚的看见常见的锂电池的构成，在它们的正负极、外壳等有包含有大量的金属，而且这些金属的价格在国内目前都呈现上升的趋势，所以回收锂电池对人们来说具有相当的商业价值意义。而且通过上表可以看出废弃锂电池中也会包含含量同样不算少的电解液，而这些电解液无论是对土壤。水源等大自然的环境来说，还是对于我们人类自身的健康来说，都是有着巨大的危害的，所以回收废弃锂电池是相当重要对我们来说。1.3锂电池的概况锂离子由于其材料和结构的特殊性，相比于之前的铅酸蓄电池，具有很多突出的优点：循环寿命长：锂离子电池以1C的倍率进行充放电，其循环寿命大于500次，而铅酸蓄电池以0.5C倍率放电，0.15C的倍率充电，其循环寿命才350次左右。可以很好的在低温环境下工作：锂电池可以在零下二十五℃的环境中正常工作，而铅酸蓄电池在零下10℃时的工作效率仅仅为最适温度的50％，在零下25℃时则无法正常进行工作。荷电能力强：将铅酸蓄电池与锂电池一同在不适用的情况下放置两个月后，锂电池的电容量约在80％左右，而铅酸蓄电池的电容量则在30％以下。工作温度跨度大：锂电池可以在零下25到55℃的环境里正常工作，而铅酸蓄电池只能在10到40℃的环境里工作。更加绿色环保：相比较于铅酸蓄电池中含有对环境和人体有害的重金属离子，锂电池更加符合符合绿色化学的理念。锂电池中所使用的各种各样的以及外壳材料等与传统的电池有着较大的出入，现在笔记本电脑、行车记录仪等广泛使用钴酸锂电池，在汽车领域，例如比亚迪、宇通、特斯拉等大厂生产的电动汽车广泛使用的则是磷酸铁锂电池。通过这些领域中锂电池的广泛使用也可以看出来锂电池相对于那些传统电池具有更好的效果而被各个领域所接受。锂离子电池的反应机理是锂离子在正、负极之间的嵌入与脱出，同时有相同当量的电子的拖出和嵌入，从而完成充放电的过程。锂离子电池在放电时，锂离子从负极脱出，经过电解质返回正极，正极处于过饱和态，电子则通过用电器等，由外电路到达正极与锂离子复合。充电时的过程则是通过加在电池两极的电压使电池中的正极活性物质释放锂离子，而释放出的锂离子则通过电解质溶液进入到负极的活性碳中。以常见的钴酸锂锂离子电池为例，其电极反应为[4]：负极反应为:6C+xLi十+xe-=C6Lix正极反应为:LiCoO2=Li(1-X)CoO2+xLi十+xe-电池反应为:LiCoO2+6C=Li(1-X)CoO2+C6Lix然而在实际的工业生产中则需要考虑更多的方面，人们在正极需要添加一系列的添加剂去保持正极活性物质在充放电后依旧可以保持活性，而在负极的生产加工以及研发中则需要考虑如何设置活性碳结构的排列去容纳更多的锂离子，在电池中的电解液则要有更好的导电性和减少充放电对负极的影响，生产厂商也需要考虑电池材料对后续的回收过程的影响。1.4锂电池回收的方法与步骤1.4.1锂电池的前处理在湿法回收的过程中，放电可以有效防止短路和自燃。在规模化工业回收中，废弃电池中硼化锂溶液可以在电解质溶液中排放，如在0.8mol/LNaCl，0.8mol/LFeSO4，或0.4mol/LMnSO4中去降低它们的电压。在两种大规模放电实验中，快速模型将剩余电压从2小时内的约3.6V降低到1.0V，全模型将剩余电压降低到1.5V在三给小时之内。而物理的方法主要包括冷冻低温放电、强制放电和电池粉碎的过程，其目的主要是为了将电池在极冷的环境下强制短路，放出多余的电量，降低电池内活性物质的活性，并对电池进行细微化处理。具体的方法主要是:低温冷冻[6]，穿孔放电，机械粉碎[5]。切割机可以用来分离塑料，而研磨机可以有效地去除金属箔中的细小颗粒。锤磨机很适合进行磨削。机械分离的方法操作简单，十分实用，但是在拆解过程中可能会产生有毒气体，所以部分物理分离需要在水下和合适的溶剂中进行，严防火灾的产生和有毒气体的排放。目前全球各个实验室、工厂对于废弃锂电池的前处理放电部分都有着不同的方法，对于那些大规模回收废弃锂电池的厂家需要开发出一种更加快速环保的方式去将废弃锂电池中的电量释放。1.4.2锂电池的拆解不同的电池制造商生产的电池在体积、包装、材料组分等方面的差异较大，因此拆解前进行分拣就必不可少。在企业拆解中有规模化的拆解，比如在德国部分工厂会根据电池形状大小经过人工简单分拣以后，放在传送带上通过X射线检查法进行下一步的分拣，这个装置最快可以每秒分拣12块废旧电池，然后传送到各个分解装置中；在美国的部分工厂采用了纯自动化分拣，通过检测不同废弃锂电池的质量将其分成不同的组，然后用球形磨对其进行物理拆解，这种方法可以快速分拣，但是需要在纯惰性气体的氛围中，去保证拆解过程的安全，花费成本也相对较高[7]。但是在小规模的企业，则会有专门的人去去负责分拣电池，这种人工的办法虽然效率不高但是可以更好的保证拆解的过程中实验的安全，而且花费也比较低。1.4.3电极材料与集流体的分离通过上文所提到的预处理，可以初步的将电池的外壳与废弃锂电池的内部物质分开，但是电池内部所存在的活性碳、粘结剂、正负极集流体和活性物质仍然在一起结合，所以我们仍需要进一步的有效分离处理，去将正负极集流体与其他的物质进行分离回收。对于主要回收的正负极物质，人们主要采用热处理、有机溶剂浸泡、碱溶液溶解等分离处理方法进行尝试[8]。有机分离法有机分离法主要是去除电极材料中的有机物-胶黏剂，具体方法为，将电池进行完放电和拆解的前处理后，用合适的有机溶剂在温水浴中对电池电极材料进行浸泡。刘明明[9]等人利用NMP在超声波震荡的实验条件下，90-100℃下溶解胶黏剂从而实现分离。周旭[10]等人用DNF在60℃、超声波震荡下溶解胶黏剂。但是此法花费较大且时间较长，所以不适合大规模适用于工业化回收处理。高温处理法含锂过渡金属氧化物的阴极粉末固定在铝箔上，而阳极粉末，如石墨，则涂覆在铜箔上。使用高温热处理的方法，可以将胶黏剂烧掉，这样铝箔和活性物质之间就可以完完全全的分离，不需要进行其他的处理。另一方面，通过高温能够使废旧电池中的活性碳氧化从而去除。在处理废旧锂电池正极片，灼烧的温度最好是在600℃左右，灼烧的时间一般控制在3小时左右[9]。虽然该工艺[10]的能耗高、后续的气体排放较危险、资本成本高的缺点，高温处理的方法具有操作方便、无须考虑金属钝化、可大规模大批次等优点，因此高温处理法在工业上应用比较广泛。碱性溶液溶解铝箔赵东江等人[11]再将电池拆解得到正极材料，将其置于氢氧化钠溶液中，从而使铝以NaAlO2的形式溶解到碱液中，从而实现了铝与钴、锂的分离。最后用酸性溶液调节滤液的pH值，将铝元素以A1(OH)3*nH2O的形式沉淀回收。工业上进行正极集流体的回收时，一般会先将正极材料进行一定物理分离，进行一定的粉碎之后，将其投入碱性溶液中，因为正极集流体上有很多正极活性物质所以需要增大它们之间的相对接触面积，通过改变搅拌速度可以更好更快更高效的回收正极所含的铝元素，加快铝箔在碱性溶液中的溶解速率。酸性浸出在废弃的电池的回收中，酸性溶解浸泡出金属离子是湿法冶金最常见的方法。最初人们用强无机酸如HCl,HNO3等做为浸出液浸取出活性物质中的金属元素。用HCl将钴酸锂中的三价钴还原为可以溶于水的二价钴，使用磷酸浸出的过程中钴以Co3(PO4)2沉淀的方式与水溶液中的锂离子实现分离并直接回收。Li等根据化学计量比添加低浓度的硫酸用于废旧磷酸铁锂电池的回收处理，使用无机酸浸取提升了选择性。但是在浸取的过程中会有废气产生，且浸取液后续较难处理，所以选择人们开始使用有机酸作为浸取液。其中，使用柠檬酸、草酸、抗坏血酸等有机酸浸取废旧电池材料的研究成果不断发表[12]。在本实验中使用硫酸进行钴、锂离子的浸出，反应方程式：4LiCoO2+6H2SO4=2Li2SO4+4CoSO4+6H2O+O21.5负极材料的分离负极材料包括活性碳、铜箔、胶黏剂。通过对废弃锂离子电池的拆解实验，我发现负极的粘合剂十分脆弱，可以直接采用水浴加热的同时进行搅拌，将负极材料分离出来。在规模化的工业生产中，比较多的厂家选择使用比较大型的球形磨将负极材料研磨碎以后，利用两者密度不同的原理，在一些溶剂中将两者分离。1.6锂电池中锂元素的回收方法1.6.1化学沉降目前国内外的锂电池生产商家对于制备锂电池的原料需求最多的是电池级碳酸锂其次则是电池级磷酸锂，而在工业化的生产中，将相对应的含锂矿石粉碎酸浸的母液在纯二氧化碳气体的氛围中，加热到120摄氏度进行化学沉降，得到高纯度的碳酸锂。目前在工业化生产碳酸锂以及磷酸锂这两种原料都是采用的化学沉降法，其制备的规模较大，能够快速的生产出大批量的原料，而且可以与其他的设备进行连接使用制备高纯度的碳酸锂以及磷酸锂。1.6.2锂离子萃取目前对于电池中金属离子的萃取方法很多，最新的研究显示可以利用一种植物的汁液[13]为萃取剂去对锂电池中的锂物种进行萃取，目前来看效果显著。在工业化生产中，是将废弃锂电池酸浸后的母液通过不同的无机酸后将不同的金属离子萃取出来。1.6.3锂元素的富集Yu通过一步氧化还原就完成了LiFePO4的氧化和LiOH的富集。在三电极体系中利用［Fe(CN)6]3－的强氧化性在闭环体系反应，整个的反应过重没有污染物产生，在不没有化学浸出和沉淀步骤的情况下，实现了高纯度FePO4和LiOH的回收[14]。第二章锂电池中各类物质的回收及其实验方法2.1实验仪器和药品2.1.1药品和试剂本实验所涉及的药品和试剂如表2-1所示:表2-1药品与试剂药品名称化学式纯度厂家3mol/L硫酸H2SO4分析纯天津科密欧化学试剂6mol/L盐酸HCl分析纯天津科密欧化学试剂柠檬酸C6H8O7分析纯天津天力化学试剂氢氧化钠NaOH分析纯天津大茂化学试剂硫代硫酸钠Na2S2O3分析纯西陇化工氯化钠NaCl分析纯天津博迪化工磷酸钠Na3PO4分析纯沈阳试剂三厂碳酸钠Na2CO3分析纯天津大茂化学试剂无水乙醇CH3COH分析纯天津天力化学试剂2.1.2仪器和设备本实验所涉及的主要仪器设备如表2-2所示:表2-2主要实验仪器主要仪器设备型号厂家电子天平AL204梅特勒-托利多仪器分析天平CP512奥豪斯仪器电热恒温鼓风干燥箱DHG-9070A上海一恒电热炉DL-1天津泰斯特仪器电热恒温水浴锅DF-101S龙口先科仪器循环水式真空泵SHZ-D(III)巩市予华仪器X-射线粉末衍射仪X'pertPRO/PANalytica荷兰帕纳科台式高速离心机TG16-WS湖南湘仪器实验室仪器2.2外壳与内部物质的分离 A浸泡放电处理B 正负极集流体及碳纸C电池外壳图2-1锂电池前处理示意图对于废弃锂电池用电解质溶液浸泡时间的对比实验，我分别尝试了多种浸泡时间，对于浸泡时间少于24小时的废弃锂离子电池，在我拆解过的程中大部分会冒出烟雾，少部分会产生小火光。所以，应该尽量保持锂离子电池在电解质溶液中的浸泡时间在24时以上，而在浸泡36小时以及48小时后进行拆解的时候同样没有任何反应，所以我用24小时作为最合适的浸泡时间。2.3负极材料的处理负极的铜箔与活性碳的附着比较脆弱，所以我将负极材料放到烧杯中，进行温水浴，温度维持在50℃上下，通过磁力搅拌器的搅拌将铜箔上的活性碳剥离，10分钟左右铜箔便可以与活性碳分离的较为干净。用玻璃棒将未分离开的活性碳手动分离后，可先将铜箔取出放到烘干箱中烘干，后将剩下的液体进行抽滤，将得到的活性碳放到烘干箱中进行烘干处理。2.4正极材料的处理2.4.1正极集流体的回收正极材料中包含过多的铝元素，根据铝的两性决定用碱溶液溶解铝箔，利用氢氧化钠跟铝的反应，从而使活性物质从铝箔上脱落，然后对溶液加酸性溶液调整溶液的pH值，使得偏铝酸钠溶液变成Al(OH)3絮状沉淀，真空抽滤然后干燥，形成Al(OH)3固体物质。具体的反应方程式如下：2Al+2NaOH+2H2O=2NaAlO2+3H2H2SO4+2NaAlO2+H2O=2Al(OH)3+Na2SO4具体的实验步骤如下：首先先用天平称取8g的氢氧化钠固体放入烧杯中加入200ml的去离子水，加入转子后放到水浴锅中进行升温，升温到90℃，配置成浓度为1mol/L的氢氧化钠溶液，然后将拆解出来的正极材料剪成小块，依次放入烧杯中进行溶解。可以观察到正极材料溶解到氢氧化钠溶液中，烧杯中同时产生大量气泡，等到正极材料全部溶解后关闭搅拌器静置一会，发现溶液上有一层黑色的正极活性物质。将溶液抽滤得到黑色的活性物质以及NaAlO2溶液，先将正极活性物质放入无水乙醇中浸泡。然后快速用3mol/L的硫酸调整NaAlO2溶液的pH值到5-6左右，可以看见在滴加硫酸的时候溶液中有白色絮状物产生，发现到pH值到5以下的时候白色絮状物开始减少停止滴加，静置等白色絮状物沉淀。倒掉上层的清水后将溶液放到烘箱烘干。然后拿出在无水乙醇中的正极活性物质，放入烘箱烘干后，称量后放入马弗炉，在600℃的条件下灼烧两小时，取出再次称量。2.4.2正极活性物质的研究Na2S2O3和H2SO4还原LiCoO21.实验原理LiCoO2可以溶解于硫酸溶液中，而且Na2S2O3在酸性的条件下具有很强的还原能力，可以将LiCoO2中三价的钴离子还原成二姐的钴离子，具体的反应方程式如下：8LiCoO2+22H++S2O32-=8Li++8Co2++11H2O+2SO42-2.实验过程将高温灼烧后的正极活性物质称取后放入烧杯中，加入配置好的氢离子浓度为3.5mol/L的酸性溶液中，加入转子，将温度设定为95摄氏度，加入适量硫代硫酸钠，加热酸浸三小时左右后将其过滤。将滤液中加入氢氧化钠溶液调整pH值至不再出现蓝色沉淀生成，之后将溶液抽滤，将得到的母液加入过量碳酸钠固体，此时将溶液加热至100摄氏度附近，加热搅拌，之后将溶液趁热离心，回收离心后的白色固体，将其烘干研磨。柠檬酸和硫代硫酸钠还原LiCoO21.实验原理柠檬酸具有三个氢离子，虽然在水中无法完全电离，但是还是可以给反应提供所需要的酸性环境。而且相比较于常规的柠檬酸与过氧化氢的组合，在过氧化氢体系中升高反应温度既会加快LCoO2还原溶解的速度,另一方面也会加快过氧化氢的分解速度,这样的话还原效率就会降低。而且硫代硫酸钠在酸性水溶液中不稳定,其分解产物为亚硫酸和单质硫,但这两种产物都具有比过氧化氢更强的还原力,因此硫代硫酸钠比过氧化氢具有更好的还原效率[15]。2.实验过程先取适量的柠檬酸固体配置成一定浓度的柠檬酸溶液，将其升温至一定温度后，加入之前高温灼烧的正极活性物质，然后加入转子和硫代硫酸钠，进行酸浸。三十分钟后，将溶液过滤后，将母液加入之前配置好的氢氧化钠溶液，发现有蓝色沉淀生成，加入到直至没有蓝色沉淀生成，后将溶液抽滤，将得到的滤液加热到100摄氏度附近，之后加入过量碳酸钠，直至白色沉淀不再生成，之后进行趁热离心，回收离心后的白色沉淀，将其烘干研磨。2.5制备磷酸锂2.5.1实验原理根据文献查到磷酸锂的Ksp约在1的-10次方数量级，所以可以将锂离子制备磷酸锂回收。3Li2SO4+2Na3PO4→2Li3PO4↓+3Na2SO4。2.5.2实验过程将过滤掉氢氧化钴后的含锂溶液用氢氧化钠调整pH值到13左右，水浴温度调整在95℃左右，后加入计算式比值1.2倍的磷酸锂，可以观察到一下出现很多白色沉淀。水浴静置一段时间后，放入离心机中离心分离。将离心后的沉淀取出后放入烘箱中，80℃烘干。2.6灼烧正极活性物质经过前处理后得到的正极活性物质中仍然存在一定量的胶黏剂，因为胶黏剂不能彻底溶于碱性溶液中，所以为了后续实验的准确性，选择高温灼烧的办法将正极活性物质进行提纯。所以将通过在不同温度下对正极活性物质进行灼烧，记录在相同时间内、不同温度下经过灼烧的正极活性物质的前后的质量差对比，去找出最好的灼烧温度。2.7样品的表征与分析方法2.7.1X射线衍射（XRD）分析 将制备好的样品进行研磨后装入样品袋中，送去理化试验室中心进行XRD检测。采用X'PertPRO/PANalytical型自动X射线衍射仪对还原产物碳酸锂进行XRD分析。实验的参数：CuKa射线，管压为四十千伏，电流为四毫安，扫描速度为二十度每秒。第三章结果与讨论3.1锂电池中各物质的含量A铝箔溶解后灼烧得到的γ-Al2O3,3.48gB碳粉，5.94gC正极活性物质，7.84gD负极集流体铜箔，2.84gE塑料外壳，6.57gF碳纸，2.43g图3-1废弃锂电池拆解图正极集流体铝箔在溶解后经过调整pH值得到氢氧化铝沉淀，但是因为无法准确测定氢氧化铝中所含的结晶水数量而导致无法准确测得其中铝元素的含量，所以将得到的氢氧化铝放入160℃的马弗炉中灼烧1.5小时后得到γ-Al2O3，经计算回收率达到93％。所以这种方法可以简单有效的回收铝，也能有效的将铝箔与正极活性物质进行分离。3.2不同浓度氢氧化钠溶液溶解正极集流体表3-1不同浓度氢氧化钠溶解正极集流体现象 氢氧化钠浓度（单位：mol/L）现象0.590℃下，5g左右的铝箔溶解较慢，约10分钟溶解完全1.090℃下，5g左右的铝箔溶解速度一般，约5分钟溶解完全2.090℃下，5g左右的铝箔溶解速度较快，约3分钟溶解完全，但是后续沉淀氢氧化铝时需要滴的硫酸较多4.090℃下，5g左右的铝箔溶解速度较快，约2分钟溶解完全，但是后续沉淀氢氧化铝时需要滴的硫酸非常多使用不同浓度的氢氧化钠溶液溶解正极集流体，不同的实验现象如上表所示，当在90℃水浴的条件下，浓度过高的氢氧化钠溶液虽然溶解过快但是对后续的实验影响较大，需要使用过多的酸进行pH值的调节，而浓度过低则溶解速率过慢，所以选择1mol/L的氢氧化钠溶液进行溶解正极集流体。3.3灼烧正极物质的结果讨论图3-2不同温度下灼烧后正极活性物质质量减轻百分比从图3-2可以看出随着温度的升高，质量减轻的百分比越来越多，说明经过高温灼烧后正极活性物质中所含的胶黏剂以及活性碳去除的更加干净了，通过图表可以看出，温度到达600℃以后，再升温减轻质量百分比与600℃的比较相似，所以可以将灼烧正极活性物质的合适温度设定为600℃。3.4正极活性物质LiCoO2转变为碳酸锂结果与讨论3.4.1硫酸和硫代硫酸钠还原LiCoO2结果与讨论硫酸的浓度对反应的影响图3-3酸的浓度对Li2CoO2酸浸效率的影响硫酸的浓度对反应的影响如图3-4所示，在温度90℃，反应时间为3h,硫代硫酸钠的浓度为0.25mol/L，由图3-4可以看出硫酸的浓度对反应的影响。当氢离子的浓度在3.5mol/L以下酸浸效率随着氢离子的浓度不断增加而上升，而达到3.5mol/L以后，随着氢离子浓度的增大，酸浸效率并没有像之前一样有较大变化，酸浸效率基本不发生大的变化，所以氢离子的浓度应该控制在3.5mol/L左右。硫代硫酸钠的浓度对反应的影响图3-4硫代硫酸钠的浓度对Li2CoO2酸浸效率的影响硫代硫酸钠的浓度对酸浸的影响如图3-4所示，在温度90℃，反应时间为3h，硫酸为1.75mol/L，由图3-4可以看出硫代硫酸钠的浓度对酸浸的影响，在硫代硫酸钠的浓度在0.25mol/L之前，随着硫代硫酸钠的浓度不断增加，LiCoO2的酸浸效率也在不断的上升。但到了0.25mol/L之后，酸浸基本不发生变化。所以硫代硫酸钠的浓度控制在0.25mol/L最合适。酸浸温度对反应的影响温度对反应的影响如图3-5所示，在硫代硫酸钠的浓度为0.25mol/L，反应时间为3h，硫酸的浓度为1.75mol/L，由图3-5可以看出温度对反应的影响，在温度为90℃之前，随着温度不断增加，LiCoO2的酸浸效率也在不断的上升。但到了90℃之后，LiCoO2的酸浸效率基本不发生变化。所以温度控制在90℃最合适。图3-5酸浸温度对Li2CoO2酸浸效率的影响酸浸时间对反应的影响图3-6酸浸时间对Li2CoO2酸浸效率的影响时间对反应的影响如图3-6所示，在硫代硫酸钠的浓度为0.25mol/L,，反应温度为90℃，硫酸的浓度为1.75mol/L，由图3-7可以看出时间对反应的影响，在3h之前，随着时间的不断增加，LiCoO2的酸浸效率也在不断的上升。但到了3小时之后，LiCoO2的酸浸效率基本不发生变化。所以时间控制在3h最合适。从图中不同阶段的线段斜率也可以看出，时间对整个反应的影响特别的大。Li2CO3的表征实验制备碳酸锂XRD图谱实验制备碳酸锂XRD图谱碳酸锂标准XRD图谱图3-7碳酸锂的XRD分析图将使用硫酸酸浸制得的碳酸锂进行XRD分析，结果如图3-7所示。根据软件Jade.6提供的标准XRD图谱，碳酸锂的2θ角在21.00°，31.50°，32.10°，34.20°，37.30°的位置出现明显的强衍射峰，根据对比，本实验产物的衍射角为21.00°，31.00°，32.00°，34.00°，37.00°的位置出现典型衍射峰，通过与标准图谱的上下比对可以得出制得的物质为碳酸锂，且图上没有杂峰，制备的碳酸锂纯度较高。3.4.2柠檬酸和硫代硫酸钠还原LiCoO酸浸时间对反应的影响时间对反应的影响如图3-10所示，在柠檬酸的浓度为1.4mol/l，硫代硫酸钠的浓度为0.3mol/l,温度为90℃，由下图可以看出时间对反应的影响，在30min之前，随着时间的不断增加，下图中在30分钟之前的线段斜率较大，说明在30分钟之前，酸浸时间对酸浸效率的影响比较大，而且可以明显LiCoO2的酸浸效率也在不断的上升。但到了30分钟之后，LiCoO2的酸浸效率基本不发生变化。所以时间控制在30分钟最合适。图3-8酸浸时间对Li2CoO2酸浸效率的影响酸浸温度对反应的影响图3-9酸浸温度对Li2CoO2酸浸效率的影响温度对反应的影响如图3-9所示，在保持其他的条件不变的情况下，通过对线段斜率的分析可以看出，在70摄氏度之前，线段的斜率较大，说明在70摄氏度之前温度对于LiCoO2的酸浸效率影响是比较大的，但是到了70摄氏度以后线段斜率出现明显的下降，说明在70摄氏度以后温度对LiCoO2的酸浸反应影响没有那么大了。所以可以从上图推断出柠檬酸的最佳酸浸温度在70摄氏度。柠檬酸浓度对反应的影响图3-10柠檬酸浓度对Li2CoO2酸浸效率的影响柠檬酸浓度对反应的影响如图3-10所示，在温度控制为70℃，硫代硫酸钠的浓度为0.3mol/l,时间控制为30min，由图3-12可以看出柠檬酸浓度对LiCoO2的酸浸效率的影响，在柠檬酸的浓度到达1.4mol/L之前，随着柠檬酸浓度不断增加，LiCoO2的酸浸效率也在不断的上升。但柠檬酸的浓度到达1.4mol/L之后，LiCoO2的酸浸效率基本保持不变。所以柠檬酸的浓度为1.4mol/L最合适。从图中也可以看出，柠檬酸的浓度对LiCoO2的酸浸效率有较大的影响，所以要将柠檬酸控制在一定的浓度之上。硫代硫酸钠的浓度对反应的影响Na2S2O3浓度对反应的影响如图3-11所示，在温度控制在70℃，柠檬酸的浓度为1.4mol/l,酸浸时间为30min，由图3-13可以看出Na2S2O3对反应的影响，在硫代硫酸钠的浓度在0.3mol/L之前，随着硫代硫酸钠的浓度不断增加，LiCoO2的酸浸效率也在不断的上升。但当硫代硫酸钠的浓度到达0.3mol/L之后，LiCoO2的酸浸效率基本保持不变。所以硫代硫酸钠的浓度在0.3mol/L最合适。图3-11硫代硫酸钠浓度对Li2CoO2酸浸效率的影响Li2CO3的表征实验制备碳酸锂XRD图谱实验制备碳酸锂XRD图谱碳酸锂标准XRD图谱图3-12碳酸锂的XRD分析图将用柠檬酸酸浸钴酸锂制得的碳酸锂进行XRD分析，结果如图3-12所示。根据软件Jade.6提供的碳酸锂标准XRD图谱，碳酸锂的2θ角在21.00°，31.50°，32.10°，34.20°，37.30°出现明显的强衍射峰，根据对比，本实验产物的衍射角为21.00°，31.00°，32.00°，34.00°，37.00°的位置出典型衍射峰，通过与标准图谱的上下比对可以得出制得的物质为碳酸锂，且图上没有杂峰，制备的碳酸锂纯度较高。3.5不同酸对Li2CoO2酸浸效率的影响表3-2不同种类的酸对Li2CoO2酸浸效率的影响图3-13不同种类酸酸浸效率通过使用不同的酸对正极活性物质进行酸浸，并且通过对比前后活性物质的质量得出不同酸的酸浸效率。由上表可以看出，在各自酸的最佳的实验条件下，硫酸的酸浸效率最好，柠檬酸的酸浸效率跟硫酸差别较小，而盐酸的酸浸效率则比较低。所以在酸浸的选择上，柠檬酸与硫酸都是较好的选择。3.6磷酸锂的表征通过开发新路径，用磷酸三钠做沉淀剂制得的磷酸锂进行XRD分析，结果如图3-14所示。根据软件Jade.6提供的磷酸锂的标准XRD图谱，磷酸锂的2θ在23.20，24.30，25.10，34.70，37.30出现典型衍射峰，根据对比，本实验产物的衍射角在角度为23.00，24.00，25.00，34.50，37.00的位置出现明显的强衍射峰，通过与标准图谱的上下比对可以得出制得的物质为磷酸锂，且图上没有杂峰，制备的碳酸锂纯度较高。磷酸锂标准XRD图谱磷酸锂标准XRD图谱实验制备磷酸锂XRD图谱图3-14磷酸锂的XRD分析图第四章结论本文通过设计实验并且进行一定的对比，得出了如下的结论：1.通过破拆废弃锂电池，并且对其进行锂物种的回收的同时成功的回收到了包括锂元素，铝元素等产物。2.通过比对不同温度下灼烧前后正极活性物质的质量变化得出在600摄氏度下进行高温灼烧去除杂质最好的结论，温度过低则无法有效去除正极活性物质中的杂质，而温度过高则会造成不必要的能量浪费。3.本文通过设计出两种不同路径对锂元素进行回收而且分别进行一系列的对比实验：①第一种实验方法利用了硫酸、硫代硫酸钠对钴酸锂的还原反应，研究了从废旧钻酸锂电池中提取锂元素制备碳酸锂的过程，通过对比实验研究了反应条件对酸浸效率的影响，从而得到最佳工艺制备条件:在反应为90℃，时间为3h，硫酸的浓度为3.5mol/L，硫代硫酸钠的浓度为0.3mol/L，最高酸浸效率为97%，回收效率为百分之92％。②第二种实验方法利用柠檬酸与硫代硫酸钠来还原钴酸锂，研究了从废旧钻酸锂电池中提取锂元素制备碳酸锂的过程，通过对比实验研究了反应条件对酸浸效率的影响，从而得到最佳工艺制备条件：在反应为70℃，时间为30min，硫代硫酸钠浓度为0.25mol/L，柠檬酸的浓度为1.4mol/l,钴酸锂的酸浸效率最高达到95%，回收效率为89％。通过这两种实验的比较，对比发现采用硫酸与硫代硫酸钠的组合最好。4.废旧锂电池回收的成本核算如下所示：表4-1回收废弃锂离子电池所需要药品成本物质柠檬酸碳酸钠氢氧化钠硫代硫酸钠硫酸盐酸废旧锂电池价格（元）2100元/t600元/t3400元/t900元/t550元/t250/t4元/块通过调查，一块废旧锂电池回收价格在4元左右，那么一吨废旧电池的回收成本大约在104000元。那么根据上表的成本价格可以计算出，采用无机酸酸浸法，那么处理一吨废旧锂电池的成本为111258元，而采用污染更小的有机酸酸浸法处理一吨废旧锂电池的成本为135400元。表4-2废弃锂离子电池回收产物售卖价格物质单质铜碳酸锂四氧化三钴氢氧化铝活性碳塑料外壳γ-氧化铝价格（元）51090/t120000/t38000/t1850/t4200/t4000/t7000/t处理一吨废旧锂电池的获得利益分别为：铜片、γ-氧化铝、外壳碎片塑料、活性碳、四氧化三钴、碳酸锂，总回收收益为143000元。所以使用无机酸酸浸法回收一吨废弃锂电池收益为31742元，而使用污染更小的有机酸酸浸法收益仅仅为一吨7600元，如果在考虑人工成本、场地租赁、设备消耗等则收益过低甚至将会负收益。所以，通过收益的核算，处理一吨废弃锂电池收益极低甚至是负收益。目前来看回收废弃锂电池的收益还是比较低的，而当电池不断发展那么将会采用更少的贵金属以及更加低廉的新型塑料材料，这样的话锂电池生产的成本将会更加低廉，越来越多的人们可以使用锂电池去体验锂电池带给人们的生活便利，但是这样的话废弃锂电池回收厂家需要不断的进行新型回收路径的开发，以应对回