【摘 要】
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近年来,新能源汽车的兴起促进了锂离子动力电池产业的蓬勃发展,但随之而来惊人的报废量给市场和环境带来了巨大困扰。废旧锂离子电池具有资源和环境的双重属性,一方面处置不当将会造成环境的严重污染,另一方面合理资源化回收将给锂等战略金属资源市场带来巨大财富。作为废旧锂离子电池的重要组成部分,三元正极废料庞大的退役量与发展趋势更是呈现出爆发式增长,因而对其资源化回收也一直以来是研究领域的焦点。传统的强酸浸出和
【基金项目】
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自然科学基金（52125002,51678285）； 国家重点研发计划（2019YFC1907900,2018YFC0406405）；
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近年来,新能源汽车的兴起促进了锂离子动力电池产业的蓬勃发展,但随之而来惊人的报废量给市场和环境带来了巨大困扰。废旧锂离子电池具有资源和环境的双重属性,一方面处置不当将会造成环境的严重污染,另一方面合理资源化回收将给锂等战略金属资源市场带来巨大财富。作为废旧锂离子电池的重要组成部分,三元正极废料庞大的退役量与发展趋势更是呈现出爆发式增长,因而对其资源化回收也一直以来是研究领域的焦点。传统的强酸浸出和超高温冶炼工艺在高回收率和选择性二者间难以兼顾,高昂的过程成本和环境负荷也成为抑制其发展的重要瓶颈。另一方面,联合低温焙烧和水浸的无酸选择性提锂工艺不仅在回收率和选择性上均有所突破,其低温度、短流程、高选择性带来的低能耗和碳排放上的贡献也备受研究人员和企业青睐。本文研究工作主要围绕以下两方面展开,一方面基于三元正极材料内部晶格结构和热力学性质差异研发无酸选择性提锂技术并进行应用前景探索,另一方面是进一步研发超低温硫酸化焙烧选择性提锂技术并进行创新性的引入过程碳排放等综合性评估,内容如下:（1）基于Li Ni1/3Co1/3Mn1/3O2（NCM）三元正极材料层间金属与氧原子配位微环境的差异,以还原体系的导向构建与精细调控为手段,研发了无酸选择性提锂工艺。首先借助结构化学理论和热力学计算,在精细刻画三元正极材料晶体结构的基础上,初步筛选出理论可用于选择性提锂的还原性焙烧盐种类;通过热力学行为研究与热化学理论计算证实了氯化钙及其水合物在热力学能方面有利于优先破坏锂氧化物的层状结构,并将其转化为水溶性氯化物。基于这种独特机制所建立的无酸提锂工艺表现出优异的选择性,锂回收率为94%,浸出选择性高达98%。在此基础上进行了实验规模化放大和混合材料无酸选择性提锂实验,探索了其进一步应用可行性。（2）基于硫酸盐还原可控的特性和三元正极材料层间金属与氧原子配位微环境差异,构建了超低温焙烧技术以实现三元正极废料无酸选择性提锂。首先通过探索试验初步筛选出理论可用于选择性提锂的焙烧硫酸盐种类;紧接着基于热力学模拟分析了低温焙烧选择性提锂可行性及选择性机制;借助批式实验,明确了还原力驱动超低温无酸选择性提锂技术的最优条件,实现了在300℃下焙烧95.05%的最佳锂回收效率;在此基础上,借助表征手段深入阐明了过硫酸钠可控热分解下逐步提高提锂选择性的内在机制;最后创新性的在单个提锂工艺过程引入EVERBATT回收模型进行碳排放等综合性指标进行分析评估,为构建绿色低碳可持续的无酸选择性提锂技术提供了理论基础和技术支持。
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