2024第五届储能材料国际研讨会

Fan, MC., Zhao, Y., Kang, YQ. et al. Room-temperature extraction of individual elements from charged spent LiFePO4 batteries. Rare Met. (2022).

回收数以百万吨计的废旧磷酸铁电池将有益于人类健康，同时减少资源消耗和环境污染。然而，从废电池中回收单个元素而不产生废物是一项挑战。在这里，我们提出了一种在室温下回收废旧磷酸铁锂电池的独特方法，水是唯一消耗的浸出剂。FePO₄和嵌锂石墨作为前体材料，通过将LiFePO₄电池充电至脱锂状态来选择性地提取锂、铁和磷。NaOH溶液在30分钟内从FePO₄中提取铁，并在不消耗的情况下再生，类似于催化剂。在最佳浸出条件下（1mol·L^-1NaOH，0.5h，NaOH/Fe摩尔比为4.5），铁和磷的浸出率分别达到89.1%和99.2%。本研究中反映的方法将回收每千克正极材料的成本降低到以前发表报告的一小部分，仅占以前报告的6.13%。此外，EverBatt模型计算得出，与火法冶金和湿法冶金方法相比，该方法将电池回收收入分别提高了2.31倍和1.94倍。该方法可方便地回收废旧磷酸铁锂电池的单个元素成分。

1.通过将LiFePO₄电池充电至脱锂状态来选择性地提取锂、铁和磷

3.本研究中反映的方法将回收每千克正极材料的成本降低到以前报告的6.13%，将电池回收收入分别提高了约2倍。

【内容简介】

当LiFePO₄电池工作时，FePO₄和LiFePO₄之间发生可逆相变。在充电过程中，正极中的锂迁移到负极，并插在石墨层之间，同时将FePO₄留在正极，这是进一步提取Fe和P的初始化合物。在传统的磷酸铁浸出过程中，含强氧化剂的酸通常用于生成磷酸铁的锂萃取（无机酸如HCl、H₂SO₄、H₃PO₄或有机酸如草酸、弱有机酸、柠檬酸和乙酸），这会导致液体污染物的产生和成本的增加。相比之下，通过电化学方法实现这种脱锂状态比使用氧化剂更环保。此外，在工业上，LiFePO₄氧化后也是形成固体FePO₄。

图3 选择性地提取锂。a.充电态电池负极的SEM图像；b.充电态电池负极的XRD图谱；c.浸出液中锂浓度和石墨中残留量的ICP结果；d.回收石墨的SEM图像，插图为回收石墨的图片；e.回收石墨的XRD图谱；f.回收铜箔的SEM图像，插图为回收铜箔的图片

图5 a.NaOH浓度和Li_0.1FePO₄浸出时间对铁浸出率的影响；b.NaOH浓度和浸出时间对P浸出率的影响；c.Li_0.1FePO₄正极的SEM图像；d.浸出后Li_0.1FePO₄正极的SEM图像；e.Li_0.1FePO₄正极Fe和P元素的电子EDS能谱图；f.浸出后Li_0.1FePO₄正极Fe和P元素的EDS图谱；g.Li_0.1FePO₄正极的EDS谱；h.浸出后Li_0.1FePO₄正极的EDS谱；i.回收NaOH溶液对其铁浸出性能的影响

图6 a.不同正极材料在氢氧化钠溶液中的溶解性能；b.分离Co²⁺和Fe³⁺；c.Fe-P-H₂O体系的E-pH图；d.碱性环境中Co离子的E-pH图

图7 a.本文方法以及火法冶金和湿法冶金的示意图；b.不同回收方法处理的每千克废电池的收入; c.处理每千克正极材料的成本

【全文小结】

康飞宇，男，清华大学深圳国际研究生院教授。1981年本科考入清华大学机械工程专业，1997年获香港科技大学博士学位。2000年任《新型碳材料》杂志副主编，主要从事新型碳材料的制备、表征和应用研究。是国家纳米研究重大计划（973）首席科学家，先后承担5项国家自然科学基金项目和1项国家863项目。曾担任世界低碳城市联盟首任主席。