动力电池电极材料的溶解浸出

电极材料的溶解浸出

溶解浸出过程是对预处理后得到的电极材料进行溶解浸出，使电极材料中的金属元素以离子的形式进入到溶液中，然后通过各种分离技术选择性分离回收其中的主要有价金属Co、Li等。溶解浸出的方法主要包括化学浸出和生物浸出法。

化学浸出

传统的化学浸出方法是通过酸浸或碱浸的方式实现电极材料的溶解浸出，主要包括一步浸出法和两步浸出法。一步浸出法通常采用无机酸HCl、HNO3、H2SO4等作为浸出剂对电极材料直接溶解浸出，但这种方法会产生Cl2、SO2等有害气体，故需要进行尾气处理。研究发现，在浸出剂中加入H2O2、Na2S2O3等还原剂，可有效解决这一问题，同时Co3+被还原成更易于溶解到浸出液中的Co2+，从而提高浸出率。潘晓勇等采用H2SO4-Na2S2O3体系浸出电极材料，分离回收Co、Li。结果表明，H+浓度3mol/L、Na2S2O3浓度0.25mol/L、液固比15:1，90℃下反应2.5h，Co、Li的浸出率高于97%;陈亮等采用H2SO4+H2O2为浸出剂对活性物质进行浸出。结果表明：液固比10:1、H2SO4浓度2.5mol/L、H2O2加入量2.0mL/g(粉料)、温度85℃、浸出时间120min，Co、Ni和Mn的浸出率分别达到97%、98%和96%;陆修远等采用H2SO4+还原剂体系浸出废旧高镍型锂离子电池正极材料(LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2)，研究了不同还原剂(H2O2、葡萄糖及Na2SO3)对金属浸出效果的影响。结果表明：在最适宜条件下，采用H2O2作为还原剂，主要金属的浸出效果最好，Li、Co、Ni、Mn的浸出率分别为100%、96.79%、98.62%、97%。

综合看来，采用酸-还原剂作为浸出体系，相较于直接酸浸，因浸出率更高、反应速率更快等优点成为目前工业上处理废旧锂离子电池的主流浸出工艺。两步浸出法是将废旧锂电池经过简单预处理后先进行碱浸出，使Al以NaAlO2的形式进入到溶液中，之后加入浸出酸，并在其中加入还原剂H2O2或Na2S2O3做为浸出液，得到的浸出液通过调节pH值，选择性沉降Al、Fe并分别回收，将所获得的母液进一步进行Co、Li元素的提取和分离。邓朝勇等采用10%NaOH溶液进行碱浸，Al浸出率为96.5%，2mol/L的H2SO4和30%H2O2进行酸浸，Co浸出率为98.8%。浸出原理如下：

2LiCoO2+3H2SO4+H2O2→Li2SO4+2CoSO4+4H2O+O2

将所获得的浸出液，经多级萃取等工艺，最终Co的回收率达到98%以上。该方法流程简单，易于操作，对设备腐蚀小，污染少。

生物浸出法

随着技术的发展，生物冶金技术因其高效环保、成本低等优势有着更好的发展趋势及应用前景。生物浸出法是通过细菌的氧化作用，使金属以离子的形式进入到溶液。近年来，有研究者研究了采用生物浸出法浸出废旧锂离子电池中的有价金属。Mishra等采用无机酸和嗜酸菌酸氧化亚铁硫杆菌对废旧锂电池进行浸出，利用元素S和Fe2+作为能源，在浸出介质中产生H2SO4和Fe3+等代谢产物，利用这些代谢物溶解废旧锂离子电池中的金属。

研究发现，Co的生物溶解速度比Li快。Fe2+可以促进生物菌生长繁殖，Fe3+与残留物中的金属共沉淀。较高的液固比，即金属浓度的增加，会抑制细菌的生长，不利于金属的溶解;Marcináková等在两种不同介质下采用嗜酸细菌的聚生体对Li和Co进行生物浸出。富含营养的培养基由细菌生长所需的所有矿物质构成，低营养培养基以H2SO4和元素S作为能源。研究发现，在富营养环境中，Li和Co的生物浸出率分别为80%和67%;而在低营养环境中，仅溶解35%的Li和10.5%的Co。生物浸出法相较于传统的酸-还原剂浸出体系，具有成本低、绿色环保等优势，但主要金属(Co、Li等)的浸出率相对较低，工业化大规模处理具有一定的局限性。