Chem. Eng. J: 协同配位机制实现退役锂离子电池正极材料战略金属的超快浸取- 大数跨境

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Chem. Eng. J: 协同配位机制实现退役锂离子电池正极材料战略金属的超快浸取

科学材料站

2021-04-16

导读：该工作利用盐酸与抗坏血酸二元酸体系对退役锂电池正极材料进行浸取，提取其中的镍、钴、锰、锂有价元素。提出新的协同配位机理，同时利用软件模拟计算对该二元酸体系浸取动力学进行解释。

文章信息

协同配位机制实现退役锂离子电池正极材料战略金属的超快浸取

第一作者：邢雷

通讯作者：顾帅

单位：华东理工大学，国家盐湖资源综合利用工程技术研究中心

文章简介

近日，华东理工大学于建国课题组在国际知名期刊Chem. Eng. J 上发表题为 Ultra-fast leaching of critical metals from spent lithium-ion batteries cathode materials achieved by the synergy-coordination mechanism的研究文章。

该工作利用盐酸与抗坏血酸二元酸体系对退役锂电池正极材料进行浸取，提取其中的镍、钴、锰、锂有价元素。提出新的协同配位机理，同时利用软件模拟计算对该二元酸体系浸取动力学进行解释。

本文要点

要点一：系统性研究HCl+VC体系浸取条件

以退役手机锂电池为原料，HCl+VC二元酸为浸取体系，研究了酸比例、温度、固液比和搅拌速度等因素对退役正极材料的浸取影响。

结果表明，在0.5MHCl+0.5VC酸体系，363K，10g/L，400rpm的条件下浸取效果最好，其中Li、Co在10min的浸取率分别达到了97.72%和97.25%。同等条件下HCl+VC体系对退役正极材料的浸取效果优于王水。

要点二：协同配位机理解释超快速浸取动力学

以实际体系中存在的离子浓度情况（Cl-:Co2+:DHA=10:2:1）进行建模，提出四种可能的配位情况并对体系能量进行计算。结果表明形成CoDHACl2和CoCl42-的体系能量最低，为-3.656Kcal/mol，证实了HCl+VC二元酸体系中盐酸主要提供H+，VC作为还原剂同时其还原产物DHA与Co2+产生配位效应加快了浸取的动力学。

对HCl+VC二元酸体系浸取退役正极的动力学进行拟合，发现Li元素浸取动力学符合shrinking core模型；Co元素浸取动力学符合parabolic product layer diffusion模型，而Ni和Mn浸取动力学符合Avrami-Erofeev model。

同时计算了Li、Co、Ni、Mn四种元素的浸取活化能分别为20.88kJ/mol,19.11kJ/mol,33.23kJ/mol和23.74kJ/mol。

要点三：HCl+VC二元酸体系浸取体系的经济性核算

该工作对HCl+VC二元酸体系浸取体系的经济性核算。假设三种浸取体系，A：0.5M HCl + 0.5M VC，固液比10g/L; B: 0.5M HCl + 0.5M VC，固液比20g/L; C: 1.3M H2SO4和20% H2O2 固液比25g/L。结果显示0.5M HCl + 0.5M VC，固液比20g/L 的经济效益最好。

该研究首次使用微观分子动力学和经典热力学结合的方式计算体系中物种的构型及其对有价元素浸出动力学的影响，为退役锂离子电池正极活性物质的快速、高效浸出奠定理论基础。

文章链接

Ultra-fast leaching of critical metals from spent lithium-ion batteries cathode materials achieved by the synergy-coordination mechanism

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.129593