物理化学学报 >> 2024, Vol. 40 >> Issue (10): 2309028.doi: 10.3866/PKU.WHXB202309028
张思宇1,2, 谷昆泓1, 鲁兵安3, 韩俊伟1,*(
), 周江2,*(
)
收稿日期:2023-09-18
修回日期:2023-10-09
录用日期:2023-10-16
发布日期:2024-03-13
通讯作者:
Email: hanjunwei@csu.edu.cn (韩俊伟)zhou_jiang@csu.edu.cn (周江)
基金资助:
Siyu Zhang1,2, Kunhong Gu1, Bing'an Lu3, Junwei Han1,*(
), Jiang Zhou2,*(
)
Received:2023-09-18
Revised:2023-10-09
Accepted:2023-10-16
Published:2024-03-13
Contact:
Email: hanjunwei@csu.edu.cn (Junwei Han)zhou_jiang@csu.edu.cn (Jiang Zhou)
Supported by:摘要:
电子信息和新能源汽车等产业的迅速发展导致锂离子电池(LIBs)的需求量激增,随之引发了其报废潮。可持续的回收技术对于以环保的方式解决大量退役锂离子电池(EOL LIBs)至关重要。本文全面综述了基于湿法冶金的LIBs正极废料中有价金属的提取技术,从环境、技术和工业化可行性的角度出发,对无机酸、有机酸和低共熔溶剂(DESs)等方法进行了详细的讨论和分析,以期优化技术并降低对环境的影响。此外,本文也详细探讨了绿色的生物质废料等还原剂和高效环保的EOL LIBs内循环机械活化技术等在强化LIBs正极废料有价金属溶浸中的应用,并由此提出了EOL LIBs回收过程中可能存在的研究机会和挑战。
张思宇, 谷昆泓, 鲁兵安, 韩俊伟, 周江. 退役锂离子电池正极的湿法冶金回收工艺:可持续技术的进展与应用[J]. 物理化学学报, 2024, 40(10), 2309028. doi: 10.3866/PKU.WHXB202309028
Siyu Zhang, Kunhong Gu, Bing'an Lu, Junwei Han, Jiang Zhou. Hydrometallurgical Processes on Recycling of Spent Lithium-lon Battery Cathode: Advances and Applications in Sustainable Technologies[J]. Acta Phys. -Chim. Sin. 2024, 40(10), 2309028. doi: 10.3866/PKU.WHXB202309028
表1
典型湿法冶金回收锂离子电池正极废料的工艺对比"
| Process | Cathode category | Reducing agent | Optimal process conditions | Leaching efficiency (%) | Ref. |
| Acid leaching | LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 | – | 4 mol∙L−1 HCl; 18 h; 363 K; 50 g∙L−1 | ~100% Ni, Co, Al, Li | |
| LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 | NaHSO3 | 1 mol∙L−1 H2SO4; 240 min; 368 K; 20 g∙L−1 | 96.4% Ni, 91.6% Co, 87.9% Mn, 96.7% Li | ||
| LiCoO2 | H2O2 | 0.7 mol∙L−1 H3PO4; 60 min; 313 K; 50 g∙L−1 | 99% Co, 99% Li | ||
| LiFePO4 LiNixCoyMnzO2 | – | 0.88 mol∙L−1 H3PO4; LFP/NCM 2 : 1; 120 min; 353 K; ~30 g∙L−1 | 99.1% Ni, 98.9% Co, 97.3% Mn, 99.6% Li, 100% Fe | ||
| LiCoO2 | H2O2 | 2 mol∙L−1 H3Cit; 120 min; 333 K; 30 g∙L−1 | 81% Co, 92% Li | ||
| Mixed cathode waste | – | 0.5 mol∙L−1 C6H8O6; 10 min; 398 K; 10 g∙L−1 | ~100% Co, ~100% Li | ||
| LiCoO2 | – | 1 mol∙L−1 C2H2O4; 150 min; 368 K; 15 g∙L−1 | ~97% Co, ~98% Li | ||
| LiNix CoyMnzO2 | H2O2 | 0.93 mol∙L−1 H2SO4; 0.85 mol∙L−1 C3H4O4; 81 min; 333 K; 61 g∙L−1 | 99.46% Ni, 97.24% Co, 96.88% Mn, 99.79% Li | ||
| Bio leaching | LiCoO2 | – | Thiobacillus ferric oxide; Cu2+ 0.75 g∙L−1; 6 d; 1%; 308 K | 99.9% Co | |
| LiCoO2 | C6H8O6 | mixed sulfur-oxidizing bacteria; 48 h; 20 g∙L−1; 303 K | 94% Co, 95% Li | ||
| Alkali leaching | LiNixCoyMn1−x−yO2 | Na2SO3 | 4 mol∙L−1 NH3; 0.3 mol∙L−1 Na2SO3; 5 g∙L−1; 1 mol∙L−1 (NH4)2CO3; 120 min; 353 K | 85.3% Ni, 86.4% Co, 1.45% Mn, 79.1% Li | |
| LiNixCoyMnzO2 | (NH4)2SO3 | 3 mol∙L−1 NH3·H2O; 1.5 mol∙L−1 (NH4)2SO3; 120 min; 353 K; 20 g∙L−1 | 97.7 % Ni, 99.1% Co | ||
| DESs leaching | LiCoO2 | – | ChCl + (NH2)2CO (7.5g + 77.5 g∙L−1); 12 h; 453 K; 1 g/25 g | 95% Co, 95% Li | |
| LiNixCoyMnzO2 | – | ChCl + C6H7O2P (1 : 2); 80 min; 373 K; ~11 g∙L−1 | 96.4% Ni, 97.0% Co, 93.0% Mn, 97.7% Li | ||
| LiCoO2 Li14.8Ni1.7Co8.5MnO30.5 | – | EG + SAD (12 : 1); 6 h; 383 K; 40 g∙L−1 | 99.1% Ni, 94.8% Co, 100% Mn, 100% Li | ||
| Li3.2Ni2.4Co1.0Mn1.4O8.3 | – | EG + C4H6O6 (5 : 1); 12 h; 393 K; 20 g∙L−1 | 98.34% Li |
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doi: 10.3866/PKU.WHXB202211057 |
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鲁航语; 侯瑞林; 褚世勇; 周豪慎; 郭少华. 物理化学学报, 2023, 39, 2211057.
doi: 10.3866/PKU.WHXB202211057 |
|
| 2 |
doi: 10.1002/eem2.12271 |
| 3 |
doi: 10.1016/j.enpol.2018.09.035 |
| 4 |
doi: 10.1016/j.cej.2023.142278 |
| 5 |
doi: 10.1002/sus2.16 |
| 6 |
doi: 10.1016/j.resconrec.2022.106690 |
| 7 |
doi: 10.1016/j.jclepro.2020.121439 |
| 8 |
doi: 10.1002/anie.202218672 |
| 9 |
doi: 10.1002/aenm.201701415 |
| 10 |
doi: 10.1016/j.jclepro.2021.126329 |
| 11 |
doi: 10.1016/j.scitotenv.2022.161380 |
| 12 |
doi: 10.1016/j.cej.2023.145006 |
| 13 |
doi: 10.1039/d2ee00162d |
| 14 |
doi: 10.1016/j.jhazmat.2021.126319 |
| 15 |
doi: 10.1021/acs.est.9b03725 |
| 16 |
doi: 10.1021/acssuschemeng.2c00276 |
| 17 |
doi: 10.1016/j.cej.2022.140914 |
| 18 |
doi: 10.1016/j.jpowsour.2023.233428 |
| 19 |
doi: 10.1021/acssuschemeng.3c01238 |
| 20 |
doi: 10.1016/j.cec.2022.100012 |
| 21 |
doi: 10.3866/PKU.WHXB202103052 |
|
朱思颖; 李辉阳; 胡忠利; 张桥保; 赵金保; 张力. 物理化学学报, 2022, 38, 2103052.
doi: 10.3866/PKU.WHXB202103052 |
|
| 22 |
doi: 10.1002/adma.202108327 |
| 23 |
doi: 10.1016/j.jpowsour.2023.233406 |
| 24 |
doi: 10.1016/j.wasman.2023.02.031 |
| 25 |
doi: 10.1016/j.jpowsour.2013.08.128 |
| 26 |
doi: 10.1016/j.cej.2023.143030 |
| 27 |
doi: 10.1016/j.jhazmat.2016.12.021 |
| 28 |
doi: 10.1016/j.wasman.2022.10.034 |
| 29 |
doi: 10.1016/j.wasman.2017.03.037 |
| 30 |
doi: 10.1016/j.seppur.2021.118458 |
| 31 |
doi: 10.1021/acs.est.6b03320 |
| 32 |
doi: 10.1016/j.jhazmat.2015.02.064 |
| 33 |
doi: 10.1080/08827508.2020.1781628 |
| 34 |
doi: 10.1016/j.mineng.2019.03.027 |
| 35 |
doi: 10.1016/j.mtcomm.2019.02.001 |
| 36 |
doi: 10.1016/j.chemosphere.2019.125291 |
| 37 |
doi: 10.1021/acsami.1c23258 |
| 38 |
doi: 10.1016/j.wasman.2023.04.020 |
| 39 |
doi: 10.1007/s10163-019-00850-4 |
| 40 |
doi: 10.1016/j.hydromet.2021.105746 |
| 41 |
doi: 10.1016/j.wasman.2018.12.034 |
| 42 |
doi: 10.1016/j.jiec.2019.06.023 |
| 43 |
doi: 10.1016/j.joule.2023.01.004 |
| 44 |
doi: 10.1039/d2gc02450k |
| 45 |
doi: 10.1016/j.wasman.2007.01.010 |
| 46 |
doi: 10.1016/j.biortech.2009.06.086 |
| 47 |
doi: 10.1016/j.jhazmat.2011.10.063 |
| 48 |
doi: 10.1016/j.jclepro.2022.134991 |
| 49 |
doi: 10.1021/acssuschemeng.0c06573 |
| 50 |
doi: 10.1021/acssuschemeng.1c06885 |
| 51 |
doi: 10.1016/j.jclepro.2020.124242 |
| 52 |
doi: 10.1016/j.chemosphere.2021.130196 |
| 53 |
doi: 10.1021/acssuschemeng.8b02810 |
| 54 |
doi: 10.1016/j.wasman.2016.10.034 |
| 55 |
Lobos, A. Bioleaching Potential of Filamentous Fungi to Mobilize Lithium and Cobalt from Spent Rechargeable Li-Ion Batteries. M. S. Dissertation, University of South Florida, Florida, 2017.
|
| 56 |
doi: 10.1016/j.wasman.2019.04.039 |
| 57 |
doi: 10.1016/j.jclepro.2019.119665 |
| 58 |
doi: 10.1016/j.wasman.2020.07.008 |
| 59 |
doi: 10.1016/j.jhazmat.2020.123491 |
| 60 |
doi: 10.1021/acssuschemeng.7b02700 |
| 61 |
doi: 10.1021/cr300162p |
| 62 |
doi: 10.1002/aesr.202100133 |
| 63 |
doi: 10.3866/PKU.WHXB202212043 |
|
韩慧贤; 陈澜; 赵建成; 于海涛; 汪洋; 闫何恋; 王英雄; 薛智敏; 牟天成. 物理化学学报, 2023, 39, 2212043.
doi: 10.3866/PKU.WHXB202212043 |
|
| 64 |
doi: 10.1039/d0gc02023k |
| 65 |
doi: 10.1021/acssuschemeng.1c06381 |
| 66 |
doi: 10.1039/d0gc00701c |
| 67 |
doi: 10.1002/anie.202202558 |
| 68 |
doi: 10.1039/d0gc03820b |
| 69 |
doi: 10.1016/j.wasman.2022.11.044 |
| 70 |
doi: 10.1021/acs.energyfuels.3c00313 |
| 71 |
doi: 10.1016/j.envres.2023.116337 |
| 72 |
doi: 10.1021/acssuschemeng.1c06902 |
| 73 |
doi: 10.1021/acsomega.2c00742 |
| 74 |
doi: 10.1038/s41560-019-0368-4 |
| 75 |
doi: 10.1002/cssc.202100954 |
| 76 |
doi: 10.1016/j.cej.2021.133200 |
| 77 |
doi: 10.1007/s40831-023-00681-6 |
| 78 |
doi: 10.1016/j.cej.2015.06.071 |
| 79 |
doi: 10.1021/acssuschemeng.5b01000 |
| 80 |
doi: 10.1007/s11837-019-03775-3 |
| 81 |
doi: 10.1021/acs.est.0c02873 |
| 82 |
doi: 10.1007/s10853-018-2229-0 |
| 83 |
doi: 10.1016/j.cclet.2020.11.074 |
| 84 |
doi: 10.1039/d2gc01929a |
| 85 |
doi: 10.1021/acs.est.2c07689 |
| 86 |
doi: 10.1016/j.minpro.2004.08.002 |
| 87 |
doi: 10.1021/acssuschemeng.6b02337 |
| 88 |
doi: 10.1016/j.resconrec.2020.105261 |
| 89 |
doi: 10.1016/j.wasman.2022.07.014 |
| 90 |
doi: 10.1021/acssuschemeng.2c02553 |
| 91 |
doi: 10.1021/acs.est.8b03469 |
| 92 |
doi: 10.1016/j.wasman.2022.11.042 |
| 93 |
doi: 10.1073/pnas.2217698120 |
| [1] | 祝鑫彤, 曹斌, 闫崇, 唐城, 陈爱兵, 张强. 锂离子电池石墨负极包覆研究进展[J]. 物理化学学报, 2025, 41(9): 100096 - . |
| [2] | 宋亮亮, 梁颢严, 李顺清, 邱报, 刘兆平. 超高比能电池高锰富锂层状氧化物正极材料面临的挑战与解决策略[J]. 物理化学学报, 2025, 41(8): 100085 - . |
| [3] | 黄奥羽, 许君, 黄玉, 储圭, 王卯, 王黎丽, 孙永奇, 蒋臻, 朱晓波. 通过简单的浆料添加剂调整电极-电解液界面以实现稳定的高电压锂离子电池[J]. 物理化学学报, 2025, 41(4): 100037 - . |
| [4] | 林学宇, 王瑞琦, 董武杰, 黄富强. 高性能双金属氧化物负极的理性设计及储锂特性[J]. 物理化学学报, 2025, 41(3): 100021 - . |
| [5] | 黄辰悦, 郑鸿飞, 秦宁, 王灿沛, 王利光, 陆俊. 单晶高镍三元正极材料:挑战与策略[J]. 物理化学学报, 2024, 40(9): 2308051 - . |
| [6] | 许文涛, 莫栩妍, 周洋, 翁祖贤, 莫坤玲, 吴炎桦, 蒋欣霖, 李丹, 蓝汤淇, 文欢, 郑伏琴, 樊友军, 陈卫. 双金属浸出诱导催化剂重构用于高活性和高稳定性电化学水氧化[J]. 物理化学学报, 2024, 40(8): 2308003 - . |
| [7] | 张景硕, 翟越, 赵子云, 何家兴, 魏伟, 肖菁, 吴士超, 杨全红. 锂离子电池硅基负极用功能粘结剂的研究进展[J]. 物理化学学报, 2024, 40(6): 2306006 - . |
| [8] | 李莹, 赵钰燊, 陈凯, 刘旭, 伊廷锋, 陈立锋. 高性能锂离子电池用N掺杂C-Sn交联纳米纤维自支撑电极的理性设计[J]. 物理化学学报, 2024, 40(3): 2305007 - . |
| [9] | 胡雪晨, 夏求应, 岳钒, 何欣怡, 梅正浩, 王金石, 夏晖, 黄晓东. LiNbO3负极薄膜电化学性能及全固态薄膜锂离子电池应用[J]. 物理化学学报, 2024, 40(2): 2309046 - . |
| [10] | 李琪, 黎平安, 刘泽通, 张佳辉, 张浩, 余维来, 胡先罗. 同轴静电纺丝构筑微/纳米结构隔膜与电极材料用于锂离子电池:从原理到应用[J]. 物理化学学报, 2024, 40(10): 2311030 - . |
| [11] | 鲁航语, 侯瑞林, 褚世勇, 周豪慎, 郭少华. 高比能锂离子电池层状富锂正极材料改性策略研究进展[J]. 物理化学学报, 2023, 39(7): 2211057 -0 . |
| [12] | 汪茹, 刘志康, 严超, 伽龙, 黄云辉. 高安全锂离子电池复合集流体的界面强化[J]. 物理化学学报, 2023, 39(2): 2203043 -0 . |
| [13] | 朱思颖, 李辉阳, 胡忠利, 张桥保, 赵金保, 张力. 锂离子电池氧化亚硅负极结构优化和界面改性研究进展[J]. 物理化学学报, 2022, 38(6): 2103052 - . |
| [14] | 杨越, 朱加伟, 王鹏彦, 刘海咪, 曾炜豪, 陈磊, 陈志祥, 木士春. 镶嵌于NH2-MIL-125 (Ti)衍生氮掺多孔碳中的花状超细纳米TiO2作为高活性和稳定性的锂离子电池负极材料[J]. 物理化学学报, 2022, 38(6): 2106002 - . |
| [15] | 莫英, 肖逵逵, 吴剑芳, 刘辉, 胡爱平, 高鹏, 刘继磊. 锂离子电池隔膜的功能化改性及表征技术[J]. 物理化学学报, 2022, 38(6): 2107030 - . |
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