超聲場協同的廢鋰電池中鈷酸鋰晶體結構水熱修復研究

《超聲場協同的廢鋰電池中鈷酸鋰晶體結構水熱修復研究》是依託同濟大學，由賀文智擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：超聲場協同的廢鋰電池中鈷酸鋰晶體結構水熱修復研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：賀文智
• 依託單位：同濟大學

中文摘要

針對失效鈷酸鋰因其晶體結構變化導致的可逆儲能電化學性能衰退，基於水熱反應所具有的顯著特點和超聲空化效應能為化學反應提供瞬態局部高溫、高壓、強力衝擊與剪下以及具有強氧化能力的羥基自由基等條件，在超聲場協同作用的密閉水熱環境下對失效鈷酸鋰進行一步法修復與除雜研究。在使失效鈷酸鋰與氫氧化鋰反應修復其電化學性能的同時，礦化去除其中的聚偏二氟乙烯粘結劑及殘留有機電解質。著重研究超聲水熱環境下失效鈷酸鋰形態與晶格等性質的變化情況、聚偏二氟乙烯和有機電解質降解及鈷酸鋰與氫氧化鋰反應修復的規律和機理，分析超聲場對目標反應的作用機制，確定反應的調控途徑，進而為該技術的實際套用提供理論依據。本申報課題的成功實施，可在消除廢鋰電池所引發的環境問題的同時，最大限度地對其實現資源化，課題研究不僅具有學術價值，而且對推動相關行業的可持續發展具有重要的現實意義。

結題摘要

基於廢棄鋰電池結構特點及組成材料所存在的物理化學特性差，採用機械物理方法對其正極和負極有價組分進行了分離富集。以分離富集得到的失效鈷酸鋰研究對象，針對其因微孔表面及晶體結構變化而導致的可逆儲能電化學性能衰退，基於超聲空化效應能為化學反應提供瞬態局部高溫、高壓強作用以及具有強氧化能力的羥基自由基等條件，在超聲作用下的超聲空化環境中對失效鈷酸鋰進行一步法除雜與修復研究。研究考察了超聲反應時間、超聲功率、超聲作用方式及氫氧化鋰濃度等因素對殘留於鈷酸鋰顆粒表面的有機物雜質去除及晶體結構修復效果的影響規律；建立了鈷酸鋰顆粒表面聚偏氟乙烯（PVDF）含量與超聲處理後其失重率間的定量關係，探討了粘附於鈷酸鋰顆粒表面的PVDF和有機電解質的降解規律及鈷酸鋰晶體結構的修復機制。 研究結果表明：通過超聲機械效應能使粘結劑PVDF從失效鈷酸鋰顆粒表面剝離；而超聲空化產生的羥基自由基能使電解液有機溶劑碳酸乙烯酯（EC）完全降解，同時有利於PVDF的去除。在氫氧化鋰溶修復處理後，結晶程度高，層狀結構良好，Co、Li占位有序，晶體純度提高，電化學循環性能改善。將修復的鈷酸鋰材料裝配成扣式電池進行電化學性能測試，修復的鈷酸鋰材料進行不同倍率充放電測試，能夠達到或接近商用電池的電化學性能。 超聲空化效應形成的超臨界狀態使得空化氣泡極易進入鈷酸鋰顆粒的空隙中，更大限度地接觸到黏附在鈷酸鋰表面的EC和PVDF，促進了EC和PVDF氧化分解。超聲空化產生的羥基自由基能夠實現EC的降解，並有利於PVDF的部分降解。 超音波的機械效應促進鋰離子的傳質過程，使得失效鈷酸鋰中鋰離子含量平均增加26%以上，Li/Co比值達到1以上。超聲空化有利於鈷酸鋰晶體生長，並能促使晶體顆粒細小均勻。