锂离子电池作为便携式电子设备中最受欢迎的可充电电池类型之一,一直被广泛应用于手机、电脑等移动电子设备中,并在军事、航空航天航海、电动车以及医疗设备等领域逐渐普及。目前我国已经成为主要的锂离子电池生产、消费和出口大国。随着锂电池产量的剧增,我们也面临处理堆积如山的报废电池的难题。从环境保护、资源循环利用和人类健康的角度分析来看,对废弃锂离子电池(特别是正极)资源化回收不仅对保护环境、避免人类健康的风险具有重要意义,而且可以带来巨大的社会和经济价值,促进锂离子电池行业可持续发展。本文以废弃钴酸锂电池正极材料为研究对象,针对两种废旧手机锂离子电池,开展了有机酸还原性体系浸出正极活性材料中有价金属的深入研究,并在有关机械化学法强化有机酸浸出过程方面进行了一些探索性的工作,为有价金属的回收提供简单有效、绿色环保的浸出方法。主要研究内容如下:(1)系统研究了废旧手机锂离子电池的预处理过程,包括:放电、拆解、活性材料与集流体分离。通过盐溶液放电实验研究,确定用20g/L的NaCl溶液对回收的废弃钴酸锂电池放电6h,电压均降至0.2V以内,此时拆解相对安全。手工拆解获得完整的正极材料。提出采用二次热处理法:经过450℃首次热处理45min后,再600℃二次热处理5h,正极钴酸锂活性材料从集流体铝箔上分离。得到纯度较高的钴酸锂粉末,具有较高的金属回收价值。(2)针对正极活性材料钴酸锂,为避免使用常用的还原剂双氧水,采用维生素C-少量硫酸体系浸出有价金属,浸出效果明显。通过单因素和正交实验研究得出最优的浸出条件,即:硫酸浓度3mol.L-1 维生素C浓度0.28mol.L-1,浸出温度70℃,浸出时间75min,固液比15g·L-1。在此浸出条件下,废旧锂离子电池正极活性材料中钴的浸出率达到了 95.46%。浸出动力学分析发现,产物层扩散控制动力学速率方程可以很好地描述有价金属Co的浸出动力学。确定表观反应活化能Ea为32.7KJ/mol,说明该浸出过程受表面化学反应和产物层内扩散混合控制,由产物层扩散步骤主导。(3)为解决使用无机废酸处理难题,针对正极活性材料钴酸锂,采用柠檬酸-硫代硫酸钠体系浸出回收正极活性材料中的有价金属钴和锂,浸出效果优异。通过单因素实验和响应面分析,考察了柠檬酸浓度、硫代硫酸钠浓度、浸出时间、浸出温度和固液比五个因素的影响,优化得出最佳浸出条件。此时,废旧锂离子电池正极活性物质中钴的浸出率可达99%以上,锂的浸出率接近100%。提出了该体系浸出机理反应方程式。通过浸出动力学分析发现,Avrami方程作为柠檬酸-硫代硫酸钠浸出反应速率模型,可以很好地描述有价金属Co和Li的浸出动力学。确定了表观反应活化能,该浸出过程受界面化学反应控制。得到了本实验条件下钴和锂的浸出率与反应温度和反应时间t之间的关系式,与实验结果能很好的吻合。(4)提出了机械化学过程强化常温下维生素C浸出回收废弃钴酸锂电池正极活性材料中有价金属的新方法。考察了球磨转速、球磨时间、球料比等机械活化条件及抗坏血酸的浓度等因素,研究结果表明,当球料比60:1,球磨转速为650rpm,球磨时间90min,抗坏血酸浓度0.26mol·L-1时,Co的浸出率达到98.32%,Li的浸出率达到了 100%。测试分析说明机械化学活化通过破坏LiCoO2形貌和晶体结构,提升了常温下Co和Li金属的浸出效果。该方法反应条件温和,无需加热,常温条件下即可实现金属的高效浸出。浸出动力学分析发现,内扩散模型方程1-2/3x-(1-x)2/3作为机械活化维生素C浸出反应速率模型,可以很好地描述有价金属Co和Li的浸出动力学,与维生素C-少量硫酸体系一致。确定表观反应活化能,浸出过程受内扩散反应控制。得到本实验条件下钴和锂的浸出率与反应温度和反应时间之间的关系式。