【论文链接】

该文献的引用格式为：https://doi.org/10.1007/s11663-023-02946-7，请确保在引用时准确无误。

【作者单位】

斯威本科技大学；科廷大学

【论文摘要】

随着全球电动汽车（EVS）使用量的不断提升，对报废（EOL）锂离子电池（LIBs）的管理与回收需求也随之增加。这些EOL LIBs中蕴含着有价值的金属，具备回收再利用的潜力。本研究采用7075废铝屑作为还原剂，成功从锂离子电池中最常用的阴极材料LiCoO2中提取锂和钴。

采用FactSage 8.2热化学软件包进行了全面的热力学研究，明确了回收锂和钴的优化工艺参数，并对不同温度条件下的反应产物进行了评价。针对还原过程，进行了具体的实验探究。实验中，发现某些特定条件能够引发点火，进而导致样品熔融。同时，观察到铝屑中的杂质对锂和钴的最终产物产生了影响。在常规情况下，锌往往与锂一同存在于气相之中。铜元素在钴铝合金中能够溶解，而镁元素则主要进入渣中。针对利用铝屑进行铝热还原LiCoO2的原理，已经绘制出了一套通用的流程图。这种方法，从LiCoO2废渣中回收锂和钴，被认为是一种极具潜力的途径。

【实验方法】

样品制备和鉴定：

在本研究中，所采用的LiCoO2粉末为市售的商业级试剂，其粒度约为10微米，纯度高达99.8%，旨在减少阴极电池废料中常见杂质带来的复杂问题。铝片样品则取自澳大利亚霍索恩斯威本科技大学的金属车间，这些样品源自Al7075型块状工件的加工过程。铝芯片的尺寸变化情况如图1（a）所示。在实验开展之前，需对芯片进行清洁处理，具体操作是在超声波清洁器中用丙酮溶液进行清洗，这一步骤旨在彻底清除加工过程中可能残留在芯片表面的污染物。此外，为了分析铝片的化学成分，采用了扫描电子显微镜（SEM）配合能量色散X射线（EDX）光谱技术（如对铝片进行点分析）以及电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）。将样品中的碎片在氢氧化钠溶液中溶解，随后用盐酸进行酸化处理，以此进行电感耦合等离子体质谱（ICP-AES）分析。运用Agilent 5510型双视图原子发射光谱仪对所得溶液进行检测。表 III 中呈现的数据表明，能量色散X射线光谱（EDX）与ICP-AES的分析结果高度一致。铝碎片中大约含有90%的铝、5%的锌、2%的镁以及1.2%的铜。图 1(b) 展示了 Al 芯片的扫描电子显微镜二次电子像，同时附有 Al、Zn、Mg、Fe、Si 和 Cu 元素的能谱分析图。这些微量元素有形成特定相的趋势，其中最有可能的是金属间化合物，并且它们在芯片上有所分布。由于EDX成分数据是通过将一定数量的单独数据点进行平均计算得出的，所以批量ICP-AES分析得到的化学成分数据便被采纳为热力学评估所需的基础输入成分。

在实验过程中，研究者们通过在研钵内手工搅拌粉末，成功制备出了含有特定成分的LiCoO2-Al碎片颗粒，如图2（a）中所示。随后，这些颗粒被置于不锈钢模具中，并在10吨的压力作用下进行压实处理。最终，颗粒的尺寸达到了直径约1.5厘米、厚度约6毫米，如图2(b)所示。

图3呈现了颗粒横截面通过扫描电子显微镜获得的二次电子图像。其中中铝网废铝回收公司，图3(a)揭示了由于颗粒尺寸和形状的差异以及样品制备中部分材料的脱落，在颗粒中间形成了空腔；同时，通过压实作用，颗粒外侧形成了更为紧密的结构。在图3(b)和(c)中，我们可以观察到压实后的LiCoO2粉末与铝片的混合状态。在这一阶段，颗粒在压实过程中并未发生任何化学反应。

【图文摘取】

【主要结论】

本项研究对利用铝屑（废弃材料）作为还原剂，从LiCoO2中提取锂和钴的热力学性质进行了评估，并开展了相应的实验探究。

热力学分析结果显示，LiCoO2与Al片间的反应既有利又具有显著的放热特性。若在系统中维持热函以提升温度，预计将产生液态合金、炉渣以及气体。通常情况下，液态合金由Co、Al以及若干微量元素，如Cu、Si和Li构成；炉渣主要由Al2O3和LiAlO2构成；而气体成分中则含有Li，并伴有Zn和Mg等元素。通过引入适量的铝粉，锂元素中的75%能够与锌元素的全部和镁元素的80%一同蒸发，同时，钴元素的全部也能与铜元素的全部反应，形成液态的合金。

实验结果显示，铝的用量对铝热反应的启动具有显著影响中铝网废铝回收公司，这一发现与先前采用化学纯铝的研究成果相吻合。在未达到点燃状态时，我们观察到LiCoO2与铝碎片发生了反应。样品中生成了金属钴。另外，铝碎片中的杂质还会对锂和钴的最终产物造成影响。Li 能够分解为气体形态（包括与 Zn 气体共存的情况）以及炉渣成分（如 LiAlO2、Li5AlO4 以及冷却炉渣中的 LiAl5O8），而 Co 则主要以金属形式存在，或与少量 Cu 形成的 Co-Al 合金，亦或与冷却炉渣中的 Co3O4 和 MgO 共同被提取。研究结果表明，样品中铝屑的含量及其分布的均匀性，对于确定钴产品的最终品质具有显著影响。样品中铝屑的浓度越高，冷凝器中产生的钴合金液滴通常会更大，同时冷凝物的数量也会相应增多。

因此，目前的研究成果将证实，对实际EOL LIBs回收的基本理念进行更深入的探究与拓展是可行的。

【声明】