王树宾课题组等揭示:超声辅助Fenton反应选择性分离集流体与正极材料分离的剥离机制
撰写时间:2021/11/10文章来源:科技管理处、生态新濠官网修复技术研究中心

    快讯:如何高效从集流体上剥离正极材料是废旧锂离子电池(spent LIBs)的技术瓶颈之一。本研究依托广东省基础与应用基础研究基金“基于低共熔溶剂体系的退役动力电池中多金属分离及配位机制研究”等项目,开创性地采用超声辅助Fenton反应法选择性去除粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF),回收得到的磷酸铁锂正极材料通过原位补锂法可实现材料的再生。研究成果以“Recycling of LiFePO4 cathode materials from spent lithium-ion batteries through ultrasound-assisted Fenton reaction and lithium compensation”为题发表于资源与新濠官网领域国际知名期刊Waste Management,新濠官方网新濠官网新濠官网新濠官方网所王树宾助理研究员为通讯作者,陕西科技大学陈湘萍教授为第一作者,共同通讯作者。

  文章链接:https://doi.org/10.1016/j.wasman.2021.09.026.

图片摘要

 

研究背景

随着新能源汽车产业的快速发展,锂离子电池(LIBs)已广泛应用于新能源汽车领域,电池使用寿命通常为3-5年,届时会产生大量的报废锂离子电池。报废锂离子电池的不当处置,会造成巨大的资源浪费和新濠官网污染风险。与传统湿法冶金和火法冶金工艺相比,直接再生法具有流程简单、污染小和能耗低等优势,是一种具有前景的废旧动力电池回收利用方法。由于电池集流体中粘结剂PVDF具有很强的附着力,大大增加了正极材料和集流体的分离难度。

研究方法

本研究开创性地采用超声辅助Fenton反应法选择性去除PVDF,回收得到的磷酸铁锂正极材料通过原位补锂方式可实现材料的再生,研究结果表明:Fenton试剂在超声辅助条件下可生成大量的羟基自由基,可将PVDF充分降解,从而实现正极材料和集流体的分离,去除率可达96.5%;分离得到的磷酸铁锂材料通过原位补锂方式,可直接再生得到新的正极材料,其电化学性能维持不变,初始放电容量可达161.6毫安时/克。

研究成果

    1.正极材料的剥离和铝集流体的纯度

1 正极材料的剥离和铝的纯度

对于正极材料的剥离,超声功率的增加可提高体系中羟基自由基的产生速率,进而提高正极材料的剥离效率,但是过高的超声功率会将铝集流体打碎,本研究选用功率为100W的较优超声场。此外,超声时间、温度、Fe2+浓度的增加,可提高正极材料的剥离效率和铝箔的纯度。实验结果显示:正极材料的较优剥离条件为功率为100W的超声场、1mmol/LFe2+溶液、反应时间为50℃、温度为20 min,正极材料的剥离效率可达96.5%,铝箔的纯度为69.2%

    2.正极材料的剥离机制

2 正极材料的剥离机制

1溶液中的Fe2+H2O2发生自反应可生成强氧化性的羟基自由基,但Fenton反应的副反应会消耗羟基自由基,并降低其氧化性能;(2)在超声场中,副反应产生的H+与水和氧气发生反应产生羟基自由基,从而促进PVDF的分解,实现正极材料和集流体铝箔的解离;2超声场会产生局部的高温、高压效应(超过5000K100MPa),对正极材料和铝箔之间的粘结层产生连续的物理机械力,同样可以促进正极材料和集流体铝箔的解离。

    3.正极材料的原位补锂再生

3 原位再生磷酸铁锂材料的电化学性能

从铝箔剥落得到的正极材料,经过原位锂补重新制备得到的正极材料,展示出与商用正极材料相似的电化学性能:在0.1C倍率下,初始放电容量可达161.6mA?h?g?1;在1.0C倍率下,循环200次的放电容量维持在91%

小结

本研究成功开发了一种超声辅助Fenton反应-原位补锂的回收废旧锂离子电池新工艺;系统阐明了超声辅助Fenton反应剥离过程的剥离机制;通过原位补锂法再生制备得到的正极材料,达到了商用材料的性能。

本研究获得国家重点研发计划(2019YFC1908305)、广东省基础与应用基础研究基金(2020A1515110850)和中央级公益性科研院所基本科研业务专项 (PM-zx703-202103-035)的资助。近年来,王树宾助理研究员深耕电池回收领域应用基础研究,在基础科研、固废管理支撑和科技服务等方面逐步开展了突破性工作,牵头承担国家重点研发计划课题、广东省基础与应用基础研究基金各1项,为报废锂离子动力蓄电池的低碳清洁资源化应用基础研究奠定了坚实的基础,并逐步打造新型固体废物有价金属低碳高效清洁提取、特征污染物迁移转化、有机污染物降解等研究方向。

作者简介

     

王树宾:新濠官方网新濠官网新濠官网新濠官方网所博士,助理研究员。主要围绕新型固废绿色低碳资源化、特征污染物迁移转化、有机污染物降解等领域,开展应用基础、工程示范和管理支撑工作,主持或参与国家重点研发计划、国家自然科学基金、国家留学基金委高水平项目、广东省基础与应用基础研究基金等科研项目10余项,在资源与新濠官网领域国际知名期刊Green Chemistry, Chemical Engineering Journal, Journal of Hazardous Materials, Small, Waste Management, Minerals Engineering, Science of The Total Environment等发表论文20余篇,授权国家专利4项、日本国际专利1项。

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