罗鲲教授等， CEJ观点：基于硫酸钠电解的废旧锂离子电池绿色回收与再生LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2- 大数跨境

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罗鲲教授等， CEJ观点：基于硫酸钠电解的废旧锂离子电池绿色回收与再生LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2

科学材料站

2022-03-23

导读：本文展示了一种绿色闭环的废旧锂离子电池正极材料回收策略，利用电解技术与正极材料回收技术相结合的方法，有效实现了电池回收过程中污水零排放的目的。

文章信息

基于硫酸钠电解的废旧锂离子电池绿色回收与再生LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂

第一作者：方加虎

通讯作者：罗鲲*，丁正平*，任玉荣*

单位：常州大学，桂林理工大学

研究背景

锂离子电池(LIBs)以其优异的性能受到广泛青睐。大量锂离子电池进入市场后，废旧锂离子电池回收和再利用问题必将成为重大挑战。针对广泛应用的三元锂离子电池正极材料，如能研究开发合适的回收与再生方法，则不仅可以实现高价值有色金属资源的全组分再利用，还可以避免电解液、重金属等对环境的污染。

LIBs正极回收一般采用物理法、化学法和生物处理等方法，其中化学法通过无机酸浸、有机酸浸、碱浸或氨浸等方法，分离回收有价成分，是最为常用的方法，适用范围广，回收的物质纯度高，但所使用的酸碱等化学物质对环境具有危害。因此，开发适应严格环境保护要求，并具有实用性的LIBs正极材料绿色回收与再利用技术的研究，显得格外迫切。

文章简介

基于此，常州大学罗鲲教授课题组在Chemical Engineering Journal上发表题为“Green recycling and regeneration of LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂ from spent lithium-ion batteries assisted by sodium sulfate electrolysis”的研究论文。

论文展示了一种绿色闭环的废旧锂离子电池正极材料回收策略，利用电解技术与正极材料回收技术相结合的方法，有效实现了电池回收过程中污水零排放的目的。通过电解硫酸钠溶液获得硫酸和氢氧化钠浸出剂，Al、Ni、Co、Mn和Li的浸出效率都在99%以上。

利用回收来的有价金属采用高温固相法直接合成阴极材料，再生的阴极材料具有与商用阴极材料相当的电化学性能。最后，使用电解获得的氢氧化钠溶液中和酸性溶液，生成的硫酸钠溶液可用于循环电解，形成废旧LIBs的闭环回收，具有短流程、反应条件温和、无固、液废弃物排放等特点，展现出较大的经济价值和应用前景。

图1. 废旧锂离子电池的绿色回收过程。

本文要点

要点一：提出了一种基于Na₂SO₄电解的锂离子电池绿色回收方法，该方法从电解硫酸钠溶液中制备酸碱浸出剂，与传统的浸出剂相比，具有浓度低、可操作性强、可循环利用等优点。在最佳条件下，Ni、Co、Mn、Li的浸出率均达到99%以上。铝元素以氢氧化铝沉淀法回收，纯度超过99%。此外，硫酸钠溶液电解过程中产生的高纯氧和氢具有较高的附加值。

要点二：以回收的Ni、Co、Mn和Li为原料，采用碳酸盐沉淀法制备了Ni_0.5Co_0.2Mn_0.3CO₃前驱体和Li₂CO₃颗粒，进而采用高温固相法合成了高纯度的再生LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂。再生的LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂在第一次循环中具有高的放电比容量167.041 mAh g^-1，倍率性能稳定，循环性能良好，可与商用LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂正极材料相媲美。

要点三：用电解生成的NaOH中和酸性浸出液，生成可供电解使用的Na₂SO₄溶液，实现了该过程的闭环循环和污水零排放。最后，经初步计算，回收废旧锂离子电池三元正极材料每吨可获得6992美元的经济效益。

文章链接

“Green recycling and regeneration of LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂ from spent lithium-ion batteries assisted by sodium sulfate electrolysis”, Chemical Engineering Journal (2022).

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135880

通讯作者简介

罗鲲教授，博士生导师，2004年在中国科学院研究生院获材料学博士学位。英国曼彻斯特大学博士后，英国巴斯大学访问学者，英国纽卡斯尔大学高级研究学者。

主要从事电化学储能、纳米复合和稀贵金属回收提纯研究。中国有色金属学会冶金物理化学学术委员会委员、中国化工学会化工新材料委员会委员、中国仪表功能材料学会储能与动力电池及其材料专业委员会委员。

担任SN Applied Science编委，国际期刊Chem. Comm., Electrochim. Acta, J. Mater. Sci. Technol.等论文评审专家。已在Advanced Materials, Chemical Communications, Chemistry of Materials, Journal of Materials Chemistry A 等国际期刊发表论文110余篇；获得发明专利21项，主持多项国家自然科学基金及省部级重点项目。

丁正平 副教授，研究生导师，2017年获得中南大学博士学位，2018至2020年, 北京大学物理学院博雅博士后，主要从事新能源材料与先进电子显微学的研究，着重于新能源材料的合成与改性研究，并采用原位透射电镜等先进原位方法实时研究材料的电化学反应。

目前，已在Advanced Materials、Energy Storage Materials、NPG Asia Materials、Journal of Materials Chemistry A、ACS Applied Materials & Interfaces等国际期刊发表论文30余篇。现担任Applied Surface Science, Journal of Alloys and Compounds, Advanced Energy and Sustainability Research等期刊审稿人。

任玉荣 教授，博士生导师，2010年中国科学院成都有机化学研究所获得工学博士学位，加州大学洛杉矶分校访问学者。主要研究领域有新能源材料，材料基因组和智力电池等。

任《Chineses Chemical Letters》编委，担任ACS Applied Energy Materials等多种国际学术期刊的论文评审人，英国皇家化学学会会士(FRSC)、ACS会员、中国化学会会员、中国化工学会会员、中国复合材料学会会员。目前已在Chemical Engineering Journal, ACS Applied Materials & Interfaces, Journal of Energy Chemistry, Journal of Power Sources等国际期刊上发表SCI论文120余篇，授权发明专利13件，主持和参与国家级重点和面上项目7项，其中重大研究计划1项，主持省部级以上项目8项。