废弃锂离子电池有价成分高效分选的关键基础问题研究

China is one of the biggest countries for the production and consumption of lithium-ion batteries (LiBs). Grades of cobalt, copper and aluminum in spent LiBs are as high as 15%, 18% and 19%, respectively. Recycling of the spent LiBs can not only relieve the shortage of metal resources, but also lighten the pollution from the spent LiBs. Currently, recycling studies mainly focus on the recovery of valuable metals from the cathode active materials with metallurgical methods. Researches on the effective comminution of LiBs and efficient separation of other valuable components are relatively insufficient. Therefore, in this research project, crucial scientific issues of efficient separation during the recycling process of the spent LiBs will be studied with the most attention. With the purpose to recycling utilization of the strategic metal, cobalt and other valuable metals, such as copper and aluminum, this study consists of strengthened selective comminution theory and evaluation method, micro airflow active pulsing and triboelectrostatic separation mechanism of multi-complex shape particles, surface modification and flotation mechanism of the electrode active materials. This project will provide the theoretical fundamentals and technique supports for the efficient separation of valuable components from the spent LiBs.

我国是锂离子电池生产和消费大国，废弃锂离子电池中钴、铜和铝的品位分别高达15%、18%和19%，对其进行资源化利用不仅能够解决我国金属资源短缺问题，还能防止大量废弃锂离子电池带来的环境污染。目前的资源化研究主要集中在正极活性材料钴酸锂的冶炼提纯，而对废弃锂离子电池的有效破碎及其它有价组分的高效分选富集研究严重不足。本项目以废弃锂离子电池为研究对象，以我国紧缺的战略金属钴及其它有价金属铜、铝等的循环利用为目标，重点研究解决废弃锂离子电池资源化利用过程中高效分选的关键科学问题。内容包括强化选择性破碎理论与评估方法；多元复杂形状颗粒的微气流脉动分选机理及技术研究；多元复杂形状颗粒摩擦电选机理及技术研究；电极活性材料表面改性、浮选机理研究。本项目研究将为废弃锂离子电池有价成分的高效分选提供系统的理论依据和技术支持。

随着电子数码产品更新迭代速率的加快及新能源汽车的大力推广，我国锂离子电池产量及消费量逐年上升，2019年达到157.22亿支。废弃锂离子电池中含有钴、铜、铝等有价成分，对其进行资源化回收利用，具有重要的经济及环保价值。目前的资源化研究主要集中在正极材料钴酸锂的提取与纯化，而对废弃锂离子电池的有效破碎、有价组份高效解离及分选富集等关键环节的研究严重不足，制约了回收过程的工业化进程。本项目以废弃锂离子电池为研究对象，重点研究了其在资源化过程中破碎、解离、分选的关键科学问题。项目执行期间，借助多种分析设备，深入研究了废弃锂离子电池的工艺矿物学特性。提出了选择性破碎行为指数及效果指数，建立了废弃锂离子电池选择性破碎评价模型。考察了干法和湿法破碎、冲击速度、施力方式对废弃锂离子电池选择性破碎的影响机理，提出优化的选择性破碎工艺。明确了热解强化电极材料解离机理，得到了最佳热解条件。分析了微气流脉动流场的流体模型及颗粒运动分离的非线性动力学模型。研究了粗颗粒脉动气流分选过程中颗粒受力行为，分析了多元片状颗粒在脉动气流场中的运动离析规律。运用实验室脉动气流分选系统进行了正负极集流体分选研究，探索了不同气流速度、脉动频率、给料速度的分选效果。利用荷质比测量系统，剖析了细颗粒摩擦荷电机理及影响其摩擦静电分选的关键问题，对比商品化及来自于废弃锂离子电池的钴酸锂、石墨与不同摩擦材料的摩擦荷电特性。探究了富钴破碎产物钝化膜与Fenton试剂的作用机理，着重研究了Fe2+/H2O2、液固比对富钴破碎产物改性的影响机制，验证了Fenton氧化对浮选性能的改善。探究了残余Fenton试剂对浮选效果的影响机制，针对其易引入杂质的问题开发类Fenton试剂。开展机械磨剥、热解处理强化电极材料浮选分离研究，探明了机械磨剥及热解处理对电极材料表面微观特性的影响规律，揭示了强化电极材料浮选的表面改性及药剂吸附机理。形成废弃锂离子电池有价组份高效破碎解离及有效分选富集理论体系。