[Анализ SMM] Индонезийская команда, смешанная переработка лития из батарей, оптимизация процессов и повышение эффективности

SMM Новости 21 февраля:

Исследовательская группа из Университета Гаджа Мада в Индонезии и других учреждений занимается изучением инновационных методов извлечения лития из отходов литий-ионных батарей. Исследователи успешно достигли уровня извлечения лития до 95,7% с селективностью 100% из тройных батарей, сочетая карботермическое восстановление с выщелачиванием водой в атмосферных условиях.

В настоящее время мировой рынок электромобилей продолжает расширяться, и два типа литий-ионных батарей доминируют в этой области. Среди них тройные батареи известны своей высокой энергетической плотностью и пригодностью для дальних поездок на электромобилях, в то время как LFP-батареи ценятся за высокую безопасность, хорошую стабильность и экономичность. Однако сложный и разнообразный состав отходов литий-ионных батарей создает значительные трудности для переработки. В частности, различия в составе тройных батарей и LFP-батарей еще больше усложняют процесс переработки. Это исследование сосредоточено на использовании атмосферного выщелачивания водой для селективного извлечения лития из черной массы тройных батарей, решая ключевые проблемы процесса переработки.

Исследователи собрали катоды отходов тройных и LFP-батарей из местных источников переработки и извлекли черную массу в качестве основного материала для обработки. Затем была проведена карботермическая обработка различных смесей черной массы (от чисто тройной до соотношения 50:50 тройной и LFP, с температурой обработки от 750 до 950°C) и тестирование при скоростях нагрева 5°C, 10°C и 15°C в минуту. После карботермической обработки черная масса подвергалась выщелачиванию водой для оценки эффективности извлечения лития.

Для глубокого анализа процесса исследователи использовали различные аналитические методы. Элементный состав определялся с помощью эмиссионной спектроскопии с индуктивно связанной плазмой; фаза и состав определялись методом рентгеновской дифракции; морфология поверхности и распределение элементов изучались с использованием сканирующей электронной микроскопии и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии; функциональные группы в соединениях исследовались с помощью рамановской спектроскопии; термогравиметрический анализ проводился в диапазоне температур от 30 до 1,200°C для мониторинга изменений тепла и массы в реальном времени во время процесса карботермического восстановления.

Исследование показало, что скорость нагрева во время карботермического процесса значительно влияет на уровень извлечения лития при выщелачивании водой. В частности, уровень извлечения лития снижается с увеличением скорости нагрева, при этом максимальный уровень извлечения 92,06±0,42% достигнут при скорости нагрева 5°C/мин. Это связано с тем, что более высокие скорости нагрева нарушают равномерность реакции восстановления, приводя к неравномерному распределению температуры внутри частиц и образованию нерастворимых остатков литиевых соединений.

Целевая температура также влияет на эффективность карботермического восстановления. С увеличением температуры уровень извлечения лития демонстрирует тенденцию к снижению. Хотя термогравиметрический анализ указывает на усиление восстановления металлов при более высоких температурах, литий оказывается встроенным в фазы сплавов Ni-Co, образующиеся при этих температурах, что приводит к снижению уровня извлечения лития. Результаты рентгеновской дифракции также подтвердили наличие этих фаз сплавов, которые препятствуют извлечению лития во время процесса выщелачивания.

Анализ TGA выявил значительные изменения массы во время карботермического восстановления смешанной черной массы LFP-тройных батарей, указывая на возможные реакции или фазовые/структурные преобразования в твердом материале. Более того, с увеличением доли LFP в смешанной черной массе уровень извлечения лития постепенно снижается, особенно при карботермическом восстановлении при 950°C. Кроме того, изменения температуры обработки оказывают относительно незначительное влияние на извлечение лития из смесей тройных и LFP-батарей. Это указывает на то, что основные трудности в процессе карботермического восстановления смешанной черной массы батарей возникают не из-за условий эксплуатации, а из-за химических реакций между компонентами, которые образуют соединения, устойчивые к выщелачиванию водой.

Исследование демонстрирует, что сочетание карботермического восстановления с атмосферным выщелачиванием водой является эффективным методом извлечения лития из смешанной черной массы тройных и LFP-батарей. При оптимальных условиях (950°C, скорость нагрева 15°C/мин, время обработки 2 часа) эффективность извлечения лития из чистой тройной черной массы достигла 95,7±0,31% при чистоте 100%.

Однако при добавлении равного количества LFP в тройную черную массу процесс извлечения нарушается, и уровень извлечения лития значительно снижается до 9,78±0,44%. Это связано с образованием нерастворимого в воде Li3PO4 и инкапсуляцией лития в матрицах сплавов Fe-Ni-Co и Ni-Co.

Для решения этой проблемы исследователи добавили карбонат натрия в процессе карботермического восстановления, чтобы подавить образование Li3PO4. Эта корректировка увеличила уровень извлечения лития до 59,47%, сохраняя чистоту 100% за счет преобразования лития в стабильный карбонат лития. Эти результаты показывают, что в практических приложениях переработки добавление карбонатных добавок и разумная корректировка условий процесса могут улучшить эффективность извлечения лития.

Исследовательская группа SMM New Energy

Цун Ван 021-51666838

Жуй Ма 021-51595780

Дишэн Фэн 021-51666714

Ин Сюй 021-51666707

Янлин Лю 021-20707875

Юцзюнь Лю 021-20707895

Сяодань Ю 021-20707870

Чжичэн Чжоу 021-51666711

Хэ Чжан 021-20707850