【摘 要】
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由于电动汽车的大规模使用,对锂离子电池的需求逐渐增大,随之而来的锂离子电池退役潮将会对环境造成极大压力。废旧锂离子电池中镍、钴、锂、锰等战略金属含量较高,如果不进行有效回收将会造成资源严重浪费与环境严重破坏。而传统的回收方式一直存在能耗高、效率低、污染严重等问题。因此,迫切需要一种低能耗、可持续的绿色回收电池材料的方法。本文创新性地使用低共熔溶剂基纳米流体为回收锂离子电池正极材料的工质。并且由于实
【基金项目】
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国家自然科学基金,编号:No.51906252; 江苏省自然科学基金,编号:NO.BK20190632; 中国博士后科学基金,编号:2019M661980;
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由于电动汽车的大规模使用,对锂离子电池的需求逐渐增大,随之而来的锂离子电池退役潮将会对环境造成极大压力。废旧锂离子电池中镍、钴、锂、锰等战略金属含量较高,如果不进行有效回收将会造成资源严重浪费与环境严重破坏。而传统的回收方式一直存在能耗高、效率低、污染严重等问题。因此,迫切需要一种低能耗、可持续的绿色回收电池材料的方法。本文创新性地使用低共熔溶剂基纳米流体为回收锂离子电池正极材料的工质。并且由于实验溶剂的低毒性、可回收性与实验过程的低能耗和相对简便特性,本文将可能为工业规模的回收锂离子电池正极材料提供一种新的可能。具体的研究内容分为以下三部分:(1)通过尝试多种不同类型的低共熔溶剂纳米流体,得到仅在磁力搅拌和100 ℃加热即可实现几乎100%的剥离正极材料效率。通过对剥离实验前后锂离子电池正极材料的测试,发现元素组成和化学结构并没有改变,更有利于后续回收再利用研究。更进一步的实验研究和测试表明,低共熔溶剂至少可以循环使用5次,还同时保持其活性。并在同样实验条件下对剥离实验后的正极活性材料用低共熔溶剂纳米流体进行浸出,对浸出液进行测试,得出镍、钴和锰的浸出率在120 ℃和140 ℃时均可以提高一倍的结论。(2)通过静态和动态实验测试以及CFD数值模拟三种方式对实验过程中的传热传质进行系统分析,以探究产生不同剥离效率的机理。静态测试获得了纳米流体的传热性能,显示六种纳米流体的导热系数和粘度在静态传热性能方面差异非常细微。而动态实验的结果显示,石墨烯和氮化硼填充的纳米流体表现呈现出与其他溶剂不同的结果,表现出最快的传热速度。搅拌器CFD数值模拟的结果以流动的平均速度和颗粒的体积分数为参数,计算结果表明,氮化硼纳米流体在速度和体积分数方面都显示出更好的传质特性。搅拌过程中氮化硼(h-BN)纳米流体在平均速度达到最大值0.39 m/s,正极颗粒的平均体积分数也为最低值0.16%。通过三方面的分析,清晰地证明了纳米颗粒的加入可以增强低共熔溶剂的传热传质过程,并因此获得了明显改善的剥离效率。(3)为了进一步强化剥离实验的效率,通过化学结合法对h-BN进行改性。当h-BN与无水葡萄糖以质量比1:3的干磨法制备氮化硼纳米片(BNNS)时,获得了热物性更佳的BNNS纳米流体。不仅稳定性最优,且与h-BN纳米流体相比,在0.5 wt%的情况下,导热系数提高了12.35%,粘度增长了33.21%。最后通过将BNNS纳米流体作为锂离子电池正极材料的新型剥离溶剂,优化出与(1)中实验条件相比,搅拌时间减少4 h的更佳实验条件。这是BNNS纳米流体稳定性与导热系数增加的共同作用结果。
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