從廢舊電池正極材料低酸浸出渣中高壓酸浸鈷鎳錳鋰試驗(yàn)研究

陳 歡，張銀亮，譚群英，唐紅輝，李 強(qiáng)，劉 琴

(湖南邦普循環(huán)科技有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 412600)

鋰離子電池工作電壓高、質(zhì)量輕、比能量大、無記憶效應(yīng)、自放電小、循環(huán)壽命長(zhǎng)，在便攜式電器中有大量應(yīng)用。鋰離子電池正極材料主要是鋰化合物L(fēng)iCoO2、LiNiO2、LiMnO4、LiNixCoyMnzO2等。大量廢鋰離子電池的存在對(duì)環(huán)境有巨大安全隱患，其中的鈷、鎳、錳、鋰等金屬若不加以回收也是一種資源浪費(fèi),因此，如何從廢鋰離子電池正極材料中回收鈷、鎳、錳、鋰，實(shí)現(xiàn)資源化循環(huán)利用已成為社會(huì)普遍關(guān)注的問題。

從鋰離子電池正極材料中回收有價(jià)金屬，目前主要采用浸出—萃取工藝[1-6]。此工藝可有效回收鈷、鎳、錳、鋰等金屬，且具有產(chǎn)品純度好、回收率高、能耗低、對(duì)環(huán)境友好且產(chǎn)品附加值高等優(yōu)點(diǎn)。浸出最常用浸出劑是酸[7-24]。但常壓下酸浸出時(shí)間較長(zhǎng)，效率較低，且金屬回收率不理想。針對(duì)這些問題，提出在高溫高壓條件下強(qiáng)化酸浸，縮短浸出時(shí)間，提高生產(chǎn)效率及金屬回收率。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)所用原料：國(guó)內(nèi)某廢舊電池回收廠電池正極材料常壓低酸浸出渣，干燥、磨細(xì)、混合，化學(xué)成分見表1。

表1 電池正極材料低酸浸出渣的化學(xué)成分 %

試驗(yàn)所用試劑：濃硫酸，工業(yè)級(jí)；抗壞血酸，五水硫代硫酸鈉，無水亞硫酸鈉，均為分析純；試驗(yàn)用水為超純水。

1.2 試驗(yàn)方法

稱取低酸浸出渣于高壓釜中，按設(shè)定液固體積質(zhì)量比加入一定濃度硫酸溶液，密閉高壓釜，開啟攪拌，攪拌速度為250 r/min，升溫至設(shè)定溫度，保溫反應(yīng)一定時(shí)間后停止加熱，降溫至常溫。打開反應(yīng)釜，取出浸出漿料，過濾，洗滌，烘干。采用原子吸收光譜儀檢測(cè)浸出液及浸出渣中Ni、Co、Mn、Li含量，計(jì)算各金屬浸出率。

1.3 試驗(yàn)原理

高壓下，用硫酸浸出電池正極材料低酸浸出渣，所用還原劑有抗壞血酸、五水硫代硫酸鈉、無水亞硫酸鈉。

1)還原劑為抗壞血酸時(shí)，浸出反應(yīng)為

(1)

式中C6H6O6為抗壞血酸氧化后的脫氧抗壞血酸。

2)還原劑為五水硫代硫酸鈉時(shí)，浸出反應(yīng)為

(2)

過量的硫代硫酸鈉在硫酸體系中會(huì)發(fā)生歧化反應(yīng)，

(3)

3)還原劑為無水亞硫酸鈉時(shí)，浸出反應(yīng)為

(4)

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 液固體積質(zhì)量比對(duì)金屬浸出率的影響

在硫酸濃度2.0 mol/L、溫度140 ℃、反應(yīng)時(shí)間120 min、無還原劑條件下，液固體積質(zhì)量比對(duì)金屬鈷、鎳、錳、鋰浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 液固體積質(zhì)量比對(duì)金屬浸出率的影響

由圖1看出：隨液固體積質(zhì)量比增大，鈷、鎳、錳、鋰浸出率升高；液固體積質(zhì)量比增至8.0 mL/g時(shí)，鈷浸出率達(dá)58.10 %；液固體積質(zhì)量比繼續(xù)提高，鈷、鎳、錳、鋰浸出率變化不顯著。綜合考慮，確定浸出液固體積質(zhì)量比以8.0 mL/g為宜。生產(chǎn)上可提升單槽處理能力，提高生產(chǎn)效率。

2.2 溫度對(duì)金屬浸出率的影響

在硫酸濃度2.0 mol/L、液固體積質(zhì)量比8.0 mL/g、反應(yīng)時(shí)間120 min、無還原劑條件下，溫度對(duì)金屬鈷、鎳、錳、鋰浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 溫度對(duì)金屬浸出率的影響

由圖2看出：隨溫度升高，鈷、鎳、錳、鋰浸出率顯著提高；溫度升至140 ℃時(shí)，鈷、鎳、錳、鋰浸出率分別提高到58.10%、89.28%、86.26%、84.73%；溫度高于140 ℃后，鈷、鎳、錳、鋰浸出率變化不大。綜合考慮，確定溫度以140 ℃為宜。

2.3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)金屬浸出率的影響

在硫酸濃度3.0 mol/L、液固體積質(zhì)量比8.0 mL/g、溫度140 ℃、無還原劑條件下，反應(yīng)時(shí)間對(duì)金屬鈷、鎳、錳、鋰浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)金屬浸出率的影響

由圖3看出：隨反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，鈷、鎳、錳、鋰浸出率均有所升高，其中鈷浸出率升高顯著；反應(yīng)120 min后，鈷、鎳、錳、鋰浸出率分別達(dá)82.38%、96.30%、90.31%、93.68%，且鎳、錳優(yōu)先于鈷被浸出；再繼續(xù)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，金屬浸出率提高不明顯。綜合考慮，確定反應(yīng)時(shí)間以120 min為宜。

2.4 硫酸濃度對(duì)金屬浸出率的影響

在液固體積質(zhì)量比8.0 mL/g、溫度140 ℃、反應(yīng)時(shí)間120 min、無還原劑條件下，硫酸濃度對(duì)金屬鈷、鎳、錳、鋰浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 硫酸濃度對(duì)金屬浸出率的影響

由圖4看出：隨硫酸濃度升高，鈷、鎳、錳、鋰浸出率提高；金屬浸出從難到易順序?yàn)殁?、鋰、錳、鎳，即鈷最難浸出；當(dāng)硫酸濃度提高到4.0 mol/L時(shí)，鈷浸出率提高到96.58%，鎳、錳、鋰浸出率有升高趨勢(shì)；當(dāng)硫酸濃度高于4.0 mol/L后，再繼續(xù)升高硫酸濃度，鈷、鎳、錳、鋰浸出率均無明顯升高。綜合考慮，確定硫酸濃度以4.0 mol/L為宜。

2.5 還原劑種類及用量對(duì)金屬浸出率的影響

在硫酸濃度2.0 mol/L、液固體積質(zhì)量比10 mL/g、溫度140 ℃、反應(yīng)時(shí)間120 min條件下，分別用抗壞血酸、五水硫代硫酸鈉、無水亞硫酸鈉作還原劑，還原劑種類及用量對(duì)金屬鈷、鎳、錳、鋰浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖5～7所示。

圖5 抗壞血酸用量對(duì)金屬浸出率的影響

由圖5看出：隨還原劑抗壞血酸用量增加，鈷、鎳、錳、鋰浸出率提高；抗壞血酸用量增加到0.5 g/8 g渣時(shí)，鈷浸出率從60.54%升高到95.72%，鎳、錳基本完全浸出；抗壞血酸用量大于0.5 g/8 g渣后，金屬浸出率提高不明顯。綜合考慮，確定抗壞血酸適宜用量為0.5 g/8 g渣。

圖6 五水硫代硫酸鈉用量對(duì)金屬浸出率的影響

由圖6看出：隨還原劑五水硫代硫酸鈉用量增加，鈷、錳、鋰浸出率呈先升高后下降趨勢(shì)，鎳浸出率變化不明顯；五水硫代硫酸鈉用量為0.5 g/8 g渣時(shí)，鈷、鎳、錳、鋰浸出率提高到98.24%、98.54%、98.63、99.10%；繼續(xù)增大五水硫代硫酸鈉用量，鈷、錳、鋰浸出率下降，主要原因是過量的硫代硫酸鈉在高溫高壓高酸條件下會(huì)發(fā)生歧化反應(yīng)自分解，生成單質(zhì)硫并包覆在渣的顆粒表面，使鈷、錳浸出難度加大。綜合考慮，確定五水硫代硫酸鈉用量以0.5 g/8 g渣為宜。

圖7 無水亞硫酸鈉用量對(duì)金屬浸出率的影響

由圖7看出：隨還原劑無水亞硫酸鈉用量增加，鈷、錳、鋰浸出率提高；無水亞硫酸鈉用量增加到1.0 g/8 g渣時(shí)，鈷、鎳、錳、鋰浸出率分別升高到86.35%、97.55%、99.19%、97.22%。綜合考慮，確定無水亞硫酸鈉加入量以1.0 g/8 g渣為宜。

從以上試驗(yàn)結(jié)果看出，抗壞血酸、五水硫代硫酸鈉、無水亞硫酸鈉都可用于還原浸出鈷，五水硫代硫酸鈉還原效果最佳，其次是抗壞血酸，最后是無水亞硫酸鈉。但由圖7看出，無水亞硫酸鈉過量時(shí)，鈷浸出率也達(dá)不到90%，因?yàn)樵诟邷馗邏焊咚釛l件下，亞硫酸根會(huì)分解產(chǎn)生二氧化硫氣體，而二氧化硫氣體在溶液中的溶解度不高，導(dǎo)致還原能力下降，因此鈷浸出率降低。

2.6 優(yōu)化條件下的綜合試驗(yàn)

在硫酸濃度4.0 mol/L、液固體積質(zhì)量比8.0 mL/g、溫度140 ℃、反應(yīng)時(shí)間120 min、還原劑分別為抗壞血酸和五水硫代硫酸鈉，加入量均為0.5 g/8 g渣條件下，鈷、鎳、錳、鋰浸出率均在99%以上。

雖然抗壞血酸和五水硫代硫酸鈉還原鈷、鎳的能力都較好，但從工業(yè)應(yīng)用角度看，抗壞血酸的成本遠(yuǎn)高于五水硫代硫酸鈉的成本，綜合考慮，確定還原劑以選擇五水硫代硫酸鈉為宜。

3 結(jié)論

在高溫高壓下用硫酸從廢舊鋰離子電池正極材料低酸浸出渣中浸出鈷、鎳、錳、鋰是可行的，相對(duì)現(xiàn)有工業(yè)上應(yīng)用的常壓高酸浸出，浸出時(shí)間大大縮短，金屬回收率大大提高，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

在高溫高壓酸浸過程中，硫酸濃度、溫度、還原劑種類及加入量對(duì)金屬浸出率影響較大。在硫酸濃度4.0 mol/L、液固體積質(zhì)量比8.0 mL/g、溫度140 ℃、反應(yīng)時(shí)間120 min、還原劑五水硫代硫酸鈉用量0.5 g/8 g渣條件下，鈷、鎳、錳、鋰浸出率分別為99.83%、99.91%、99.92%、99.97%，鈷、鎳損失率不到0.2%，浸出效果較好。