1、从废旧三元锂离子电池中回收有价金属的新工艺研究 施丽华 1,2 （ 1.广东环境保护工程职业学院，广东 佛山 528216； 2.广东省固体废弃物资源化与重金属污染控制工程技术研究中心，广东 佛山 528216） 摘要 ：废旧三元锂离子电池经过放电、焙烧、破碎、筛分等预处理方法分离出电池 活性物质、集流体与 钢壳，再采用 H2SO4-Na2SO3 对废电池粉料（活性物质）进行浸出，浸出液调节 pH 至 4.5，过滤以除去铁和铝，滤液再调 pH至 11 左右，将锂和镍钴锰分离，得到的锂液经过浓缩后加入 Na2CO3 得到工业级的 LiCO3，在镍钴锰富集物中加入氨水将锰和镍钴分离，最后使用 P5
2、07 分离镍和钴，在相比 O/A=1，平衡 pH=4.5，有机相组成为25% P507+75%溶剂油，经二级逆流萃取后钴的萃取率为 99.3%。使用 200 g/L 硫酸为反萃剂，相比为 5 时，钴的回收率达 99.21%。 反萃液使用草酸铵沉钴，萃余液中的镍采用氢氧化钠沉淀，整个工艺流程中钴的回收率为91.82%，镍的回收率为 91.12%。 关键词： 废旧锂离子电池； 亚硫酸钠； 萃取； P507；草酸钴 中 图分类号： X77 文 献标志码： A 文 章编号： 1007-7545（ 2018） 10-0000-00 New Process to Recover Valuable Meta
3、ls from Spent Ternary Lithium-Ion Batteries SHI Li-hua1,2 (1.Guangdong Vocational College of Environmental Protection Engineering, Foshan 528216, Guangdong, China; 2. Guangdong Engineering and Technology Research Center of Solid Waste Resource Recovery and Heavy Metal Pollution Control, Foshan 52821
4、6, Guangdong, China) Abstract： Spent ternary lithium-ion batteries were pre-treated by discharge, roasting, crushing and sieving to separate active materials, current collectors, and battery can. Spent battery powders (active materials) were leached by H2SO4-Na2SO3. Al3+ and Fe2+ were removed from l
5、ixivium by adjusting pH value to 4.5. Lithium was separated from filtrate with nickel, cobalt and manganese by adjusting pH value to about 11. Industrial grade Li2CO3 was obtained from lithium-bearing solution by concentration and addition of Na2CO3. Manganese was separated from nickel, cobalt and m
6、anganese concentrates with addition of ammonia. Nickel and cobalt can be separated by solvent extraction with P507. Two-stage counter-current extraction rate of cobalt is 99.3% under the conditions including O/A=1, equilibrium pH value of 4.5, and organic phase of 25% saponified P507+75% miscella. C
7、obalt stripping rate is 99.21% under O/A=5 and 200 g/L sulfuric acid. Cobalt was chemically deposited by oxalate from strip liquor. Nickel in raffinate was precipitated by sodium hydroxide. Recovery rate of cobalt and nickel in whole process is 91.82% and 91.12% respectively. Key words： spent ternar
8、y lithium-ion battery; sodium sulfite; solvent extraction; P507; colbalt oxalate 锂离子电池因其具有较高的工作电压和能量密度，放电电压平稳，无记忆效应，质量轻且体积小等优点，被广泛应用于移动电子设备、电动汽车、储备电源等领域 1。据统计， 2013 年的产量为 47.68 亿只 2。每年的增长 速度非常惊人。锂离子电池使用年限一般为 23 a，因目前回收网络尚未展开，回收率仅为 2%左右 3。锂离子电池中 含 Co 5%20%、 Ni 5%10%、 Li 5%7%4-5， 其中钴含量远高于平均品位只有约 0.3%的
9、钴土矿。 目前， 从 废旧锂离子电池中 回收 有价金属的研究很多。郭丽萍等 7采用在 H2SO4 溶液中加入还原剂 H2O26或 Na2S2O3 处理废锂离子电池正极粉 来 回收钴。陈亮等 8采用物理擦洗 稀酸搅拌浸出分离 活性物质与 集流体，活性物质 再用 H2SO4+H2O2 进行浸出 来 回收钴、镍、锰金属元素。 ZHANG 等 9通过机械力对 废旧电池中电极材料作用后用稀 HNO3 浸出提取 有价金属。 SHIN 等 10-11分 别在 硝酸和硫酸 中添加 双氧水 来浸取废旧电极材料中的钴酸锂，钴和锂的回收率达到 99%。李彩彬等 12对废弃锂离子电池富钴产物进行了焙烧提纯研究。张永禄
10、等 13对废旧锂离子电池 LiCoO2 电极中钴的浸出动力学展开了深入研究。尹晓颖等 14对废旧锂离子电池正极材料中钴铝同浸过程进行了研究。 收稿日期 ： 2018-04-01 基 金项目 ： 2016 广东省环保专项资金资助项目；广东省高等职业教育品牌专业建设项目（ 2016gzpp035） 作 者简介 ：施丽华（ 1987-），女，江西赣州人，硕士，工程师 . doi： 10.3969/j.issn.1007-7545.2018.10.018 本试验采用的 原料取自某废锂离子电池处理厂，该厂对废锂离子电池进行全面机械化预处理后再进行有价金属的回收。其前期预处理方法为：电池放电 焙烧 破碎
11、筛分。焙烧可将粘接剂等有机物除去（废气采用喷淋塔处理）。筛分可将钢壳、铜箔、铝箔等比较粗大的颗粒物质与正负极活性物质粉料分离，筛分后得到的废电池粉含有镍钴锰酸锂和碳粉等。本文采用工厂机械化处理得到的废电池粉为原料，而非 实验室 人工剥离电池得到的比较纯净的正极粉，是模拟工厂生产。在工艺上提出采用 H2SO4-Na2SO3 溶液从废电池粉料（活性物质）中浸出有价金属， 浸出 效果良好，浸出 液通过化学沉淀、溶剂萃取等方法依次分步提取锂、锰、镍、钴等有价金属。 1 试验 材料 、原理与方法 试验 材料取自江西某废旧锂离子电池处理厂，该厂对回收的大量废旧三元锂离子电池进行机械拆解破碎，经过预处理后获
12、得废电池粉料 活性粉料， 平均粒径 0.182 mm 左右， 主要化学成分 （ %）： Co 14.62、 Ni 35.48、Mn 19.13、 Li 5.90、 Cu 0.62、 Al 1.16、 Fe 0.5。 废旧三元电池的前期预处理是在工厂大规模 完 成的，回收回来的废旧三元电池可能有剩余电量，需经过NaCl 溶液浸泡放电处理，否 则在后续处理过程中可能会引起爆炸，废旧三元电池放电后再进行焙烧，可以将废电池中的粘接剂、电解液除去，这样可以避免后续浸出过程浸出液表面浮有一层油，进而影响浸出工序。焙烧后的废电池再经破碎、筛分可将活性物质与钢壳、铝箔、铜箔等分离，废电池经过以上预处理工序后，
13、得到活性物质，主要包括石墨碳粉和镍、钴、锰等有价金属。 废电池活性物质中镍、钴、锰主要是以 LiMnxNiyCo(1xy)O2 化合物形式存在，用硫酸浸出，用亚硫酸钠作还原剂，主要化学反应为： 2LiMnxNiyCo(1xy)O2+3H2SO4+Na2SO32(1 -x-y)CoSO4+2xMnSO4+2yNiSO4 +Li2SO4 +Na2SO4+3H2O 废电池活性物质中的铜基本不浸出，浸出液中的 Al3+、 Fe3+等杂质可以通过调节 pH 至 4.5 而 除去，滤液再调 pH至 11 左右，将锂和镍钴锰分离，得到的锂液经过浓缩后加入 Na2CO3 得到工业级的 LiCO3，在镍钴锰富集
14、物中加入氨水，控制一定的 pH，锰保持沉淀形式，而镍和钴则与氨形成络合物，过滤 后 使锰与镍钴得到分离。再往镍钴氨络合物中加入草酸，得到草酸镍和草酸钴，通过加入硫酸将草酸镍和草酸钴溶解，最后使用 P507分离镍和钴。硫酸反萃后加入草酸铵来沉钴。 往萃余液中的硫酸镍溶液中逐渐加入氢氧化钠溶液即可得到氢氧化镍。 采用 ICP-OES 分析 试样中的镍、钴、锰及其他金属元素， 采用 PHS-3C 型 pH 计测定 pH。 2 结果讨论 2.1 还原酸浸 废旧三元锂离子电池粉在硫酸介质下，用 Na2SO3 作为还原介质，加热搅拌浸出电池粉中的有价金属。在该浸出体系下，铜的浸出率特别低，可以有效抑制铜进
15、入浸出液中，减小后续除杂工序的负担，综合考虑经济、能耗和反应容器体积等原因，选择 下列 最佳浸出条件： 废电池粉料 50 g、 硫酸浓度 2.12 mol/L、 亚硫酸钠用量50 g、 液固比 10 1、 反应时间 1.5 h、反应温度 70 ， 各元素在浸出液中的质量浓度分别为（ g/L）： Ni 26.89、Co 11.13、 Mn 14.40、 Li 4.53、 Cu 0.09、 Fe 0.38、 Al 0.89。 镍、钴、锰的浸出率分别为 98.56%、 99.02%、 97.87%，终点 pH 为 0.50.8。 2.2 水解除铁铝 控制 pH 在 4.5 以下时， 铁和铝水解形成沉
16、淀，而 镍、钴、锰 则 基本不水解。需添加少量 NaClO 将 Fe2+氧化成 Fe3+再水解生成 Fe(OH)3 过滤除 去。铁、铝的脱除率均达 99.5%，大部分铜也 被 去除，而镍、钴的损失只有 1%左右，锰的损失 稍微 高一点， 6%左右，但是锰的价格相对镍钴来说低很多，因此这个损失不影响整个回收工艺。水解除铁铝后各离子质量浓度 （ g/L）： Ni 25.82、 Co 10.69、 Mn 13.13、 Li 4.21、 Cu 0.0007、 Fe 0.004、Al 0.004。 2.3 回收锂 将除去铁、铝杂质的滤液调 pH 至 11 左右，过滤且洗涤滤渣， 锂 留在滤液，镍钴锰则变
17、成氢氧化物富集在沉淀中。锂液经浓缩后按 1 1 比例加入 280 g/L 的 Na2CO3 溶液，加热搅拌反应 1 h 左右，过滤洗涤烘干，便可得到工业级 Li2CO3 产品。 2.4 回收锰 往镍钴锰氢氧化物富集物中加入氨水，控制一定的 pH 和温度，在适宜的条件下镍钴与氨形成络合物进入到溶液中，锰则继续留在渣相，进而获得氢氧化锰产品。 2.5 镍钴萃取分离 将草酸加入镍钴氨络合物溶液中，制得镍和钴的草酸沉淀，再加入硫酸溶解镍钴，获得镍钴的硫酸溶液。采用酸性条件下 P507 溶剂萃取的方式可将镍和钴分离，本工艺采用 25% P507 为萃取剂， 260 号溶剂油 为 稀释剂，有机相组成为 2
18、5% P507+75%溶剂油， NaOH 皂化率 65%，固定有机相组成和 皂 化率，探讨平衡 pH 和相比对 P507 萃取镍钴的影响 。 2.5.1 水相平衡 pH 对镍钴萃取率的影响 固定相比 O/A=1.5，萃取时间 4 min，考察不同平衡 pH 对镍钴萃取率的影响，结果如图 1 所示 。 从图 1 可看出，水相平衡 pH 对镍、钴萃取率影响很大，当 pH 为 3 时，钴和镍的萃取率都很低，但镍 、 钴的萃取率随着溶液平衡 pH 的增加逐渐增加。当 pH 为 4.5 时，钴的萃取率达到 92.32%，镍的萃取率为 4.21%，继续增加 pH，镍钴萃取率均升高，综合考虑镍钴分离效果，选
19、取 pH 为 4.5 较合适。 3 .0 3 .5 4 .0 4 .5 5 .0020406080100Extraction/%Equilibrium pHC oN i图 1 平衡水相 pH 对镍、钴萃取率的影响 Fig.1 Effect of equilibrium pH value on extraction efficiency of Ni and Co 2.5.2 相比（ O/A）对镍钴萃取率的影响 固定水相平衡 pH 为 4.5，萃取时间 4 min， O/A 对镍钴萃取率的影响如图 2 所示 。 可以看出，镍、钴的萃取率随着 O/A 的增大而增大。当 O/A=1 时，钴的萃取率为
20、96.7%，此时镍的萃取率为 4.86%，随着 O/A 的继续增加 ，钴的萃取率增加不明显， 但 溶液的 黏度 增大会造成分相困难，因此确定 O/A=1。 1 /2 1 /1 .5 1 1 .5 2020406080100Extraction/%O/AC oN i图 2 相比（ O/A）对镍钴萃取率的影响 Fig.2 Effect of O/A on extraction efficiency of Ni and Co 2.5.3 萃取时间对镍钴萃取率的影响 固定水相平衡 pH 为 4.5， O/A=1， 图 3 为不同 萃取时间 时 镍钴萃取率 。 从图 3 可看出，萃取 5 min 时，反
21、应接近平衡，钴萃取率为 97.23%，继续增加萃取时间，镍钴萃取率变化很小，所以 确定萃取时间为 5 min。 2 3 4 5 6020406080100Extraction/%Time/minC oN i图 3 萃取时间对镍钴萃取率的影响 Fig.3 Effect of time on extraction efficiency of Ni and Co P507 萃取镍钴的最佳工艺条件为：水相平衡 pH 为 4.5、 O/A=1，经二级逆流萃取后，钴的萃取率为 99.3%，水相中的金属离子为镍，而有机相则为钴，镍和钴得到分离，但是有机相中含有少量共萃的镍（ 1.1%），共萃的镍使用 pH为
22、 3.5 含钴 200 mg/L 的溶液洗涤 1 次，镍的洗脱率 为 99.5%。有机相中的钴使用质量浓度为 200 g/L的硫酸为反萃剂，反萃相比为 5，反萃液的钴的质量浓度约 26 g/L。反萃液中各金属离子的浓度 （ g/L）： Co 26、Ni 0.040、 Mn 0.003、 Li 0.002、 Cu 0.0007、 Fe 0.004、 Al 0.004。 2.6 草酸铵沉钴 在反萃液中逐渐加入 (NH4)2C2O4 饱和溶液，沉钴工艺条件试验发现，在温度为 60 ，终点 pH=1.5， C2O42与 Co2+的摩尔比 1.2 1 时 ， 含钴溶液的沉钴率最大，沉钴速率较快。沉钴后，
23、溶液过滤，沉淀经烘 干、过筛，沉 钴率为 99.21%。 2.7 氢氧化钠沉镍 在镍钴萃取分离后的萃余液中的主要是硫酸镍溶液，在硫酸镍溶液中逐渐加入氢氧化钠溶液，沉镍工艺条件试验发现，在温度为 50 ，控制反应 pH=9.013.0，连续搅拌溶液， OH与 Ni2+的摩尔比 1.3 1，此时含镍溶液的沉镍率最大。沉镍后，溶液经过滤，沉淀经烘干、过筛，沉镍率为 99.52%。 2.8 各金属 综合回收率 废旧三元锂离子电池粉 经过还原浸出后 ，镍、钴的浸出率分别为 98.56%、 99.02%，经过水解除铝后， 镍、钴的损失约为 1%左右，镍 、 钴与锰分 离再获得硫酸镍钴溶液这个步骤较为复杂，
24、 镍 、 钴 损失 分别 为 5.21%， 4.64%，镍 、 钴 在 萃取 分离 过程中 几乎不存在损失，因为未被萃取的金属可以返回再萃取 。 所以整个工艺流程钴和镍的回收率分别为 91.82%和 91.12%， 锂和锰的回收率分别为 90.53%和 91.08% 3 结论 1）用 H2SO4-Na2SO3 从活性物质中浸出镍钴锰等有价金属最优条件 为： H2SO4 浓度 2.12 mol/L、 Na2SO3 加入量 50 g/50 g(活性物质 )、浸出温度 70 、浸出时间 1.5 h、液固比 10 1，镍、钴、锰的浸出率分别达到 98.56%、99.02%、 97.87%。 2） P5
25、07萃取分离钴和镍的最佳条件 为 ：平衡 pH=4.5、 有机相组成 25% P507+75%溶剂油 、 皂化率为 65%、相比 1 1。 经二级逆流萃取后，钴的萃取率为 99.3%。 3）采用草酸铵沉钴，氢氧化钠沉镍。整个工艺流程钴和镍的回收率分别为 91.82%和 91.12%，锂和锰的回收率分别为 90.53%和 91.08% 参考文献 1 王光旭，李佳，许振明 . 废旧三元锂离子电池中有价金属回收工艺的研究进展 J. 材料导报， 2015， 29（ 4）：113-116. 2 李红，何亚群，张涛，等 . 废弃锂离子电池富钴破碎产物的可浮性 J. 中国有色金属学报， 2014， 24(1
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