電池廢料中有價金屬的回收工藝研究

摘要：廢舊鋰離子電池正極材料提鋰后，廢料需要進行深度處理，從而回收鎳、鈷和錳。試驗采用酸浸工藝處理廢料，利用硫酸對鎳、鈷和錳進行浸出。試驗結(jié)果表明，原料質(zhì)量為50 g，硫酸用量為80 g，水添加量為200 mL，浸出時間為60 min，浸出溫度為80 ℃時，鎳、鈷和錳的酸浸效果良好，鎳浸出率為99.48%，鈷浸出率為99.43%，錳浸出率為89.24%。酸浸工藝可用于處理廢料，實現(xiàn)鎳、鈷和錳的高效浸出，為鎳、鈷與錳的分離奠定基礎(chǔ)，應(yīng)用前景較好。

關(guān)鍵詞：電池廢料；有價金屬；回收；鎳；鈷；錳；酸浸

中圖分類號：X705 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）06-000-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.06.001

Research on the recovery process of valuable metals from battery waste

ZHANG Fan， LIU Guiqing， WANG Fang， XIE Xue， LIU Yuchen

（Jiangsu BGRIMM Metal Recycling Science amp; Technology Co.， Ltd.， Xuzhou 221006， China）

Abstract： After extracting lithium from waste lithium-ion battery cathode materials， the waste needs to be treated deeply to recover nickel， cobalt， and manganese. The experiment uses acid leaching process to treat waste， and uses sulfuric acid to leach nickel， cobalt， and manganese. The experimental results show that when the raw material mass is 50 g， the amount of sulfuric acid is 80 g， the amount of water added is 200 mL， the leaching time is 60 min， and the leaching temperature is 80 ℃， the acid leaching effect of nickel， cobalt， and manganese is good， the nickel leaching rate is 99.48%， the cobalt leaching rate is 99.43%， and the manganese leaching rate is 89.24%. The acid leaching process can be used to treat waste， achieve efficient leaching of nickel， cobalt， and manganese， and lay the foundation for the separation of nickel， cobalt， and manganese， with good application prospects.

Keywords： battery waste; valuable metals; recycling; nickel; cobalt; manganese; acid leaching

鋰離子電池具有高比容量、安全性好、循環(huán)性能優(yōu)異的特點，目前廣泛應(yīng)用于電動汽車、電子產(chǎn)品和航空航天等領(lǐng)域。近年來，我國新能源產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，鋰離子電池的需求不斷增多，得益于完善的產(chǎn)業(yè)鏈，我國已經(jīng)成為全球主要的鋰離子電池產(chǎn)銷國。正極材料是決定鋰離子電池性能的關(guān)鍵，常用的正極材料包括磷酸鐵鋰、鈷酸鋰和鎳鈷錳酸鋰等[1]。鎳鈷錳酸鋰具有較好的發(fā)展空間，應(yīng)用不斷推廣。多次充放電后，電極材料結(jié)構(gòu)會被破壞，導(dǎo)致電池容量衰減嚴(yán)重。廢舊鋰離子電池的回收利用可同時緩解環(huán)境污染和資源短缺的壓力，具有顯著的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益[2]。正極材料含有大量有價金屬元素，其成本占鋰離子電池成本的30%以上，正極有價金屬回收是廢舊鋰離子電池回收的重要內(nèi)容，因此正極材料的回收是當(dāng)前廢舊鋰離子電池研究的主要對象[3]。

目前，廢舊鋰離子電池回收有價金屬的酸浸工藝主要有無機酸浸出、有機酸浸出、有機酸和無機酸混合浸出，同時添加氧化劑或還原劑提高浸出率[4]。為提高回收效益，電池正極材料優(yōu)先提鋰，提鋰后的廢料再回收鎳、鈷和錳。試驗采用酸浸工藝處理提鋰后的廢料，利用硫酸對鎳、鈷和錳進行浸出，考察不同因素對有價金屬浸出效果的影響，從而更好地回收有價金屬。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

試驗所用原料為廢舊鋰離子電池正極提鋰后得到的廢料，主要成分如表1所示。提鋰后的廢料成分以鎳、鈷和錳為主，鋰含量很低。其中，鎳含量為14.71%，鈷含量為8.79%，錳含量為40.99%，鋰含量為0.10%。

1.2 試驗方法

浸出試驗在燒杯中進行。首先稱取一定量的電池提鋰后廢料，按一定液固比加入水、硫酸，隨后將燒杯放置在水浴鍋內(nèi)，升至一定溫度，進行攪拌浸出。浸出結(jié)束后，過濾并洗滌，濾液和濾渣（80 ℃溫度下烘干）分別取樣分析。

2 結(jié)果與討論

為回收原料中的鎳、鈷和錳等有價金屬，試驗主要考察硫酸用量、浸出溫度、浸出時間和液固比等因素對鎳、鈷與錳浸出效果的影響。

2.1 浸出時間的影響

原料質(zhì)量為50 g，硫酸用量為60 g，浸出溫度為80 ℃，水添加量為200 mL，浸出時間分別為20 min、

40 min、60 min、80 min和100 min時，試驗結(jié)果如圖1所示。鎳、鈷與錳的浸出率隨反應(yīng)時間延長而提高，當(dāng)反應(yīng)時間為60 min時，鎳、鈷與錳的浸出率分別達到97.64%、96.88%和81.68%，繼續(xù)延長反應(yīng)時間，鎳、鈷與錳的浸出率變化不大。因此，浸出時間取60 min。

2.2 浸出溫度的影響

原料質(zhì)量為50 g，硫酸用量為60 g，浸出時間為60 min，水添加量為200 mL，浸出溫度分別為20 ℃、40 ℃、60 ℃、80 ℃和90 ℃時，試驗結(jié)果如圖2所示。鎳、鈷與錳的浸出率隨反應(yīng)溫度的升高而提高，尤其是鈷浸出率提高效果明顯。浸出溫度為80 ℃時，鎳浸出率為99.64%，鈷浸出率高達96.88%，錳浸出率為81.68%。繼續(xù)升高浸出溫度，金屬浸出率變化不大，溫度升高至90 ℃時，能耗增加，溶液蒸發(fā)量較大。經(jīng)綜合考慮，浸出溫度取80 ℃。

2.3 液固比的影響

原料質(zhì)量為50 g，硫酸用量為60 g，浸出時間為60 min，浸出溫度為80 ℃，液固比分別為3、4、5和6時，試驗結(jié)果如圖3所示。液固比對金屬浸出的影響較大。液固比為3時，浸出液的金屬離子濃度較高，不利于浸出反應(yīng)的進行。液固比為4時，鎳、鈷與錳的浸出率均較高。繼續(xù)增加液固比，金屬浸出率變化不大。液固比過大，投資和能耗大大增加。因此，液固比取4。

2.4 硫酸用量的影響

原料質(zhì)量為50 g，水添加量為200 mL，浸出時間為60 min，浸出溫度為80 ℃，硫酸用量分別為60 g、70 g、80 g和90 g時，試驗結(jié)果如圖4所示。硫酸用量對金屬浸出率的影響較大，隨著硫酸用量的增加，鎳、鈷與錳的浸出率均不斷提高。硫酸用量為80 g時，鎳、鈷與錳的浸出率分別達到99.50%、99.44%和88.86%。繼續(xù)增加硫酸用量，金屬浸出率變化不大。因此，硫酸用量取80 g。

2.5 綜合條件試驗

經(jīng)單因素條件試驗，確定最佳綜合條件。原料質(zhì)量為50 g，水添加量為200 mL，硫酸用量為80 g，浸出時間為60 min，浸出溫度為80 ℃時，試驗結(jié)果如表2所示。由綜合試驗結(jié)果可以看出，在不添加還原劑的條件下，經(jīng)硫酸浸出后，鎳、鈷與錳的酸浸效果良好，鎳浸出率為99.48%，鈷浸出率為99.43%，錳浸出率為89.24%。浸出液含酸量較大，pH為0.48左右，在生產(chǎn)實踐中，可采用兩段逆流浸出。一段進行低酸浸出，浸出終點pH控制在1.0～1.5，以利于后續(xù)浸出液中和除雜。二段進行高酸浸出，保證鎳鈷浸出率，二段高酸浸出液返回一段低酸浸出工序。浸出渣的鎳鈷含量均在1%以下，而錳含量達到29.18%，可作為含錳副產(chǎn)品，外售給錳生產(chǎn)企業(yè)。

3 結(jié)論

廢舊鋰離子電池提鋰后，廢料采用酸浸工藝進行處理，從而回收鎳、鈷和錳。在不添加還原劑的條件下，經(jīng)硫酸浸出后，鎳、鈷與錳的酸浸效果良好。在最佳試驗條件下，鎳浸出率為99.48%，鈷浸出率為99.43%，錳浸出率為89.24%，有價金屬實現(xiàn)高效浸出。

參考文獻

1 雷舒雅，徐 睿，孫 偉，等.廢舊鋰離子電池回收利用[J].中國有色金屬學(xué)報，2021（11）：3303-3319.

2 楊生龍，母慶闖，張志華，等.廢舊鋰離子電池回收利用技術(shù)進展[J].廣西師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2023（2）：19-26.

3 王 康.廢舊鋰離子電池正極材料有價金屬回收的研究[D].上海：上海電力大學(xué)，2022：11-12.

4 方榮華，張文華，歐陽志昭，等.酸浸回收鋰離子電池有價金屬的研究現(xiàn)狀[J].電池，2021（3）：300-304.

作者簡介：張帆（1988—），男，河南濟源人，碩士，高級工程師。研究方向：稀貴金屬二次資源的科研與生產(chǎn)。