超声场协同的废锂电池中钴酸锂晶体结构水热修复研究

针对失效钴酸锂因其晶体结构变化导致的可逆储能电化学性能衰退，基于水热反应所具有的显著特点和超声空化效应能为化学反应提供瞬态局部高温、高压、强力冲击与剪切以及具有强氧化能力的羟基自由基等条件，在超声场协同作用的密闭水热环境下对失效钴酸锂进行一步法修复与除杂研究。在使失效钴酸锂与氢氧化锂反应修复其电化学性能的同时，矿化去除其中的聚偏二氟乙烯粘结剂及残留有机电解质。着重研究超声水热环境下失效钴酸锂形态与晶格等性质的变化情况、聚偏二氟乙烯和有机电解质降解及钴酸锂与氢氧化锂反应修复的规律和机理，分析超声场对目标反应的作用机制，确定反应的调控途径，进而为该技术的实际应用提供理论依据。本申报课题的成功实施，可在消除废锂电池所引发的环境问题的同时，最大限度地对其实现资源化，课题研究不仅具有学术价值，而且对推动相关行业的可持续发展具有重要的现实意义。

基于废弃锂电池结构特点及组成材料所存在的物理化学特性差，采用机械物理方法对其正极和负极有价组分进行了分离富集。以分离富集得到的失效钴酸锂研究对象，针对其因微孔表面及晶体结构变化而导致的可逆储能电化学性能衰退，基于超声空化效应能为化学反应提供瞬态局部高温、高压强作用以及具有强氧化能力的羟基自由基等条件，在超声作用下的超声空化环境中对失效钴酸锂进行一步法除杂与修复研究。研究考察了超声反应时间、超声功率、超声作用方式及氢氧化锂浓度等因素对残留于钴酸锂颗粒表面的有机物杂质去除及晶体结构修复效果的影响规律；建立了钴酸锂颗粒表面聚偏氟乙烯（PVDF）含量与超声处理后其失重率间的定量关系，探讨了粘附于钴酸锂颗粒表面的PVDF和有机电解质的降解规律及钴酸锂晶体结构的修复机制。.研究结果表明：通过超声机械效应能使粘结剂PVDF从失效钴酸锂颗粒表面剥离；而超声空化产生的羟基自由基能使电解液有机溶剂碳酸乙烯酯（EC）完全降解，同时有利于PVDF的去除。在氢氧化锂溶修复处理后，结晶程度高，层状结构良好，Co、Li占位有序，晶体纯度提高，电化学循环性能改善。将修复的钴酸锂材料装配成扣式电池进行电化学性能测试，修复的钴酸锂材料进行不同倍率充放电测试，能够达到或接近商用电池的电化学性能。.超声空化效应形成的超临界状态使得空化气泡极易进入钴酸锂颗粒的空隙中，更大限度地接触到黏附在钴酸锂表面的EC和PVDF，促进了EC和PVDF氧化分解。超声空化产生的羟基自由基能够实现EC的降解，并有利于PVDF的部分降解。.超声波的机械效应促进锂离子的传质过程，使得失效钴酸锂中锂离子含量平均增加26%以上，Li/Co比值达到1以上。超声空化有利于钴酸锂晶体生长，并能促使晶体颗粒细小均匀。