化工学报 ›› 2023, Vol. 74 ›› Issue (9): 3903-3911.DOI: 10.11949/0438-1157.20230759
康飞1,2,3(), 吕伟光2,3, 巨锋4, 孙峙1,2,3()
收稿日期:
2023-07-21
修回日期:
2023-09-02
出版日期:
2023-09-25
发布日期:
2023-11-20
通讯作者:
孙峙
作者简介:
康飞(1988—),男,博士研究生,助理研究员,kangfei0604@126.com
基金资助:
Fei KANG1,2,3(), Weiguang LYU2,3, Feng JU4, Zhi SUN1,2,3()
Received:
2023-07-21
Revised:
2023-09-02
Online:
2023-09-25
Published:
2023-11-20
Contact:
Zhi SUN
摘要:
随着新能源汽车迅猛发展,废锂离子电池资源化回收受到广泛关注,放电是废锂离子电池循环利用过程的重要环节。当前主要采用氯化钠溶液浸泡放电,导致大量含重金属、高有机物废液排放,处理成本高,且存在严重的环境与安全隐患。系统研究了溶液处理过程不同放电介质对放电时间、气体产生、电解液泄漏、金属溶出等的影响,探明了气液固三相组成变化规律,并对锂离子电池的电量释放路径机制进行了探索,明确了放电过程资源环境安全评价与控制方法,进一步构建了本征安全的高效放电技术。发现以电解水为主伴随极少量电解液溶出的硫酸钠溶液最优,以电量释放路径为引导从源头上解决了溶液放电过程大量电解液泄漏以及重金属溶出等问题,为实现废锂离子电池高效循环利用提供了有效支撑。
中图分类号:
康飞, 吕伟光, 巨锋, 孙峙. 废锂离子电池放电路径与评价研究[J]. 化工学报, 2023, 74(9): 3903-3911.
Fei KANG, Weiguang LYU, Feng JU, Zhi SUN. Research on discharge path and evaluation of spent lithium-ion batteries[J]. CIESC Journal, 2023, 74(9): 3903-3911.
碳钢外壳 | 正极材料 | 铝箔 | 负极材料 | 铜箔 | 其他 |
---|---|---|---|---|---|
20.56% |
表1 18650圆柱锂电池主要成分
Table 1 Main components of 18650 cylindrical lithium-ion battery
碳钢外壳 | 正极材料 | 铝箔 | 负极材料 | 铜箔 | 其他 |
---|---|---|---|---|---|
20.56% |
正极半反应 | E0/V | 编号 |
---|---|---|
Fe(s) | ||
Fe2+(aq) | ||
2Mn2+(aq)+3H2O(l) | -1.49 | |
2NH | -1.28 | |
2CO | -1.90~-1.95 | |
4HCO |
表2 正极可能发生的竞争性氧化反应及其理论电位
Table 2 Competitive oxidation reaction and theoretical potential of positive electrode
正极半反应 | E0/V | 编号 |
---|---|---|
Fe(s) | ||
Fe2+(aq) | ||
2Mn2+(aq)+3H2O(l) | -1.49 | |
2NH | -1.28 | |
2CO | -1.90~-1.95 | |
4HCO |
负极半反应 | E0/V | 编号 |
---|---|---|
Na+(aq)+e- | ||
2NH | ≥-0.83 | |
Fe3+(aq)+e- | ||
Fe2+(aq)+2e- | ||
-1.19 | ||
Ni2+(aq)+ | -0.26 | |
SO | 0.17 | |
SO | -0.93 |
表3 负极可能发生的竞争性还原反应及其理论电位
Table 3 Competitive reduction reaction and theoretical potential of negative electrode
负极半反应 | E0/V | 编号 |
---|---|---|
Na+(aq)+e- | ||
2NH | ≥-0.83 | |
Fe3+(aq)+e- | ||
Fe2+(aq)+2e- | ||
-1.19 | ||
Ni2+(aq)+ | -0.26 | |
SO | 0.17 | |
SO | -0.93 |
放电溶液 | 初始pH | 初始电导率/ (mS/cm) | 放电溶液 | 初始pH | 初始电导率/(mS/cm) |
---|---|---|---|---|---|
自来水 | 8.00 | 0.47 | 氯化铁 | 1.40 | 41.33 |
纯水 | 8.40 | 0.07 | 氯化铜 | 3.25 | 51.57 |
碳酸钠 | 11.32 | 48.73 | 氯化锰 | 5.22 | 39.03 |
碳酸钾 | 11.92 | 61.23 | 硫酸钠 | 5.73 | 45.43 |
碳酸氢钠 | 8.36 | 34.50 | 硫酸钾 | 6.43 | 50.73 |
碳酸铵 | 9.43 | 54.20 | 硫酸亚铁 | 3.53 | 22.43 |
氯化钠 | 6.57 | 74.23 | 硫酸铜 | 3.65 | 21.17 |
氯化钾 | 5.66 | 76.63 | 硫酸锰 | 3.87 | 20.57 |
表4 不同放电溶液初始pH和电导率
Table 4 Initial pH and conductivity of different discharge solutions
放电溶液 | 初始pH | 初始电导率/ (mS/cm) | 放电溶液 | 初始pH | 初始电导率/(mS/cm) |
---|---|---|---|---|---|
自来水 | 8.00 | 0.47 | 氯化铁 | 1.40 | 41.33 |
纯水 | 8.40 | 0.07 | 氯化铜 | 3.25 | 51.57 |
碳酸钠 | 11.32 | 48.73 | 氯化锰 | 5.22 | 39.03 |
碳酸钾 | 11.92 | 61.23 | 硫酸钠 | 5.73 | 45.43 |
碳酸氢钠 | 8.36 | 34.50 | 硫酸钾 | 6.43 | 50.73 |
碳酸铵 | 9.43 | 54.20 | 硫酸亚铁 | 3.53 | 22.43 |
氯化钠 | 6.57 | 74.23 | 硫酸铜 | 3.65 | 21.17 |
氯化钾 | 5.66 | 76.63 | 硫酸锰 | 3.87 | 20.57 |
溶液 | 气体成分/% | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
氢气 | 二氧化碳 | 氧气 | 氮气 | 甲烷 | 一氧 化碳 | 总计 | |
纯水 | 60.75 | 0.82 | 6.62 | 24.59 | 0.55 | 0.02 | 99.97 |
自来水 | 71.22 | 1.83 | 2.23 | 18.95 | 0.54 | 0 | 99.87 |
碳酸钠 | 63.42 | 0 | 25.34 | 8.85 | 0 | 0 | 99.99 |
碳酸钾 | 65.54 | 0.02 | 26.29 | 6.42 | 0 | 0 | 100 |
碳酸氢钠 | 58.71 | 5.06 | 26.36 | 7.75 | 0.03 | 0 | 100 |
碳酸铵 | 71.64 | 0.52 | 11.54 | 12.84 | 0 | 0 | 100 |
氯化钠 | 64.99 | 0.13 | 3.07 | 24.86 | 0.25 | 0.01 | 100 |
氯化钾 | 78.90 | 0.08 | 1.34 | 15.28 | 0.28 | 0.01 | 100 |
氯化铁 | 80.50 | 0.67 | 1.47 | 12.68 | 1.17 | 0.02 | 99.92 |
氯化铜 | 79.42 | 1.42 | 0.39 | 13.51 | 1.50 | 0.03 | 99.91 |
氯化锰 | 76.62 | 1.18 | 1.62 | 15.54 | 0.68 | 0.04 | 99.86 |
硫酸钠 | 58.26 | 0.03 | 24.06 | 13.91 | 0 | 0 | 100 |
硫酸钾 | 55.70 | 0.04 | 21.18 | 18.17 | 0 | 0.02 | 100 |
硫酸亚铁 | 49.02 | 0.09 | 8.01 | 33.69 | 0.11 | 0.01 | 100 |
硫酸铜 | 36.10 | 0.65 | 9.71 | 41.55 | 0.72 | 0.06 | 99.98 |
硫酸锰 | 65.12 | 0.04 | 23.92 | 8.56 | 0.05 | 0.01 | 100 |
表5 不同放电溶液的气体成分与含量
Table 5 Gas composition and content of different discharge solutions
溶液 | 气体成分/% | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
氢气 | 二氧化碳 | 氧气 | 氮气 | 甲烷 | 一氧 化碳 | 总计 | |
纯水 | 60.75 | 0.82 | 6.62 | 24.59 | 0.55 | 0.02 | 99.97 |
自来水 | 71.22 | 1.83 | 2.23 | 18.95 | 0.54 | 0 | 99.87 |
碳酸钠 | 63.42 | 0 | 25.34 | 8.85 | 0 | 0 | 99.99 |
碳酸钾 | 65.54 | 0.02 | 26.29 | 6.42 | 0 | 0 | 100 |
碳酸氢钠 | 58.71 | 5.06 | 26.36 | 7.75 | 0.03 | 0 | 100 |
碳酸铵 | 71.64 | 0.52 | 11.54 | 12.84 | 0 | 0 | 100 |
氯化钠 | 64.99 | 0.13 | 3.07 | 24.86 | 0.25 | 0.01 | 100 |
氯化钾 | 78.90 | 0.08 | 1.34 | 15.28 | 0.28 | 0.01 | 100 |
氯化铁 | 80.50 | 0.67 | 1.47 | 12.68 | 1.17 | 0.02 | 99.92 |
氯化铜 | 79.42 | 1.42 | 0.39 | 13.51 | 1.50 | 0.03 | 99.91 |
氯化锰 | 76.62 | 1.18 | 1.62 | 15.54 | 0.68 | 0.04 | 99.86 |
硫酸钠 | 58.26 | 0.03 | 24.06 | 13.91 | 0 | 0 | 100 |
硫酸钾 | 55.70 | 0.04 | 21.18 | 18.17 | 0 | 0.02 | 100 |
硫酸亚铁 | 49.02 | 0.09 | 8.01 | 33.69 | 0.11 | 0.01 | 100 |
硫酸铜 | 36.10 | 0.65 | 9.71 | 41.55 | 0.72 | 0.06 | 99.98 |
硫酸锰 | 65.12 | 0.04 | 23.92 | 8.56 | 0.05 | 0.01 | 100 |
溶液 | 金属含量/mg | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Li | Co | Mn | Ni | Al | Fe | Cu | 总和 | |
纯水 | 3.43 | 0.09 | 1.81 | 11.16 | 21.39 | 684.07 | 1.39 | 723.34 |
自来水 | 2.22 | 0.22 | 2.67 | 7.51 | 79.51 | 926.80 | 0.24 | 1019.17 |
碳酸钠 | 0.15 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 42.64 | 0.88 | 0.40 | 44.07 |
碳酸钾 | 0.08 | 0.08 | 0.08 | 0.10 | 67.66 | 3.53 | 3.69 | 75.22 |
碳酸氢钠 | 0.15 | 0.16 | 0.00 | 8.40 | 0.24 | 4.24 | 7.76 | 20.95 |
碳酸铵 | 0.17 | 0.13 | 0.18 | 30.29 | 0.48 | 41.02 | 7.40 | 79.67 |
氯化钠 | 3.46 | 1.31 | 3.95 | 19.40 | 152.23 | 817.13 | 0.31 | 997.79 |
氯化钾 | 5.34 | 1.21 | 2.92 | 12.57 | 218.43 | 837.70 | 1.34 | 1079.51 |
氯化铁 | 6.10 | 0.39 | 17.69 | 42.65 | 330.05 | — | 2.06 | 398.94 |
氯化铜 | 4.18 | 0.36 | 8.32 | 40.51 | 288.05 | 2170.68 | — | 2512.10 |
氯化锰 | 3.25 | 0.74 | — | 18.66 | 173.76 | 1262.75 | 1.04 | 1460.20 |
硫酸钠 | 0.25 | 0.09 | 0.92 | 27.61 | 3.36 | 247.88 | 0.33 | 280.44 |
硫酸钾 | 1.19 | 0.05 | 4.87 | 17.44 | 179.58 | 1050.98 | 0.66 | 1254.77 |
硫酸亚铁 | 0.34 | 1.87 | 23.59 | 12.43 | 2.85 | — | 42.07 | 83.15 |
硫酸铜 | 0.08 | 0.56 | 83.79 | 32.08 | 50.97 | 2200.51 | — | 2367.99 |
硫酸锰 | 0.08 | 0.85 | — | 42.93 | 6.46 | 315.70 | 0.88 | 366.90 |
表6 放电后固液两相金属总含量
Table 6 Total metal content in solid-liquid phase after discharge
溶液 | 金属含量/mg | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Li | Co | Mn | Ni | Al | Fe | Cu | 总和 | |
纯水 | 3.43 | 0.09 | 1.81 | 11.16 | 21.39 | 684.07 | 1.39 | 723.34 |
自来水 | 2.22 | 0.22 | 2.67 | 7.51 | 79.51 | 926.80 | 0.24 | 1019.17 |
碳酸钠 | 0.15 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 42.64 | 0.88 | 0.40 | 44.07 |
碳酸钾 | 0.08 | 0.08 | 0.08 | 0.10 | 67.66 | 3.53 | 3.69 | 75.22 |
碳酸氢钠 | 0.15 | 0.16 | 0.00 | 8.40 | 0.24 | 4.24 | 7.76 | 20.95 |
碳酸铵 | 0.17 | 0.13 | 0.18 | 30.29 | 0.48 | 41.02 | 7.40 | 79.67 |
氯化钠 | 3.46 | 1.31 | 3.95 | 19.40 | 152.23 | 817.13 | 0.31 | 997.79 |
氯化钾 | 5.34 | 1.21 | 2.92 | 12.57 | 218.43 | 837.70 | 1.34 | 1079.51 |
氯化铁 | 6.10 | 0.39 | 17.69 | 42.65 | 330.05 | — | 2.06 | 398.94 |
氯化铜 | 4.18 | 0.36 | 8.32 | 40.51 | 288.05 | 2170.68 | — | 2512.10 |
氯化锰 | 3.25 | 0.74 | — | 18.66 | 173.76 | 1262.75 | 1.04 | 1460.20 |
硫酸钠 | 0.25 | 0.09 | 0.92 | 27.61 | 3.36 | 247.88 | 0.33 | 280.44 |
硫酸钾 | 1.19 | 0.05 | 4.87 | 17.44 | 179.58 | 1050.98 | 0.66 | 1254.77 |
硫酸亚铁 | 0.34 | 1.87 | 23.59 | 12.43 | 2.85 | — | 42.07 | 83.15 |
硫酸铜 | 0.08 | 0.56 | 83.79 | 32.08 | 50.97 | 2200.51 | — | 2367.99 |
硫酸锰 | 0.08 | 0.85 | — | 42.93 | 6.46 | 315.70 | 0.88 | 366.90 |
溶液 | 评分 | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
放电时间 | 金属 总损失 | 总磷 泄漏量 | 溶液TOC | 溶液pH | 气体 危害等级 | 介质成本 | 总分 | |
纯水 | 68 | 63 | 35 | 18 | 80 | 70 | 100 | 66.5 |
自来水 | 84 | 49 | 10 | 10 | 80 | 80 | 100 | 64.6 |
碳酸钠 | 10 | 97 | 99 | 83 | 80 | 90 | 67 | 70.0 |
碳酸钾 | 10 | 96 | 98 | 64 | 80 | 90 | 13 | 57.0 |
碳酸氢钠 | 10 | 98 | 99 | 97 | 90 | 80 | 77 | 73.6 |
碳酸铵 | 10 | 96 | 99 | 87 | 90 | 80 | 51 | 67.0 |
氯化钠 | 100 | 50 | 61 | 46 | 100 | 90 | 94 | 78.5 |
氯化钾 | 100 | 46 | 20 | 10 | 100 | 90 | 49 | 61.0 |
氯化铁 | 100 | 80 | 10 | 10 | 50 | 80 | 60 | 63.0 |
氯化铜 | 100 | 10 | 19 | 69 | 70 | 70 | 10 | 46.8 |
氯化锰 | 100 | 26 | 48 | 14 | 80 | 70 | 25 | 51.4 |
硫酸钠 | 98 | 85 | 99 | 100 | 100 | 90 | 94 | 94.3 |
硫酸钾 | 99 | 37 | 100 | 100 | 100 | 90 | 50 | 76.2 |
硫酸亚铁 | 100 | 86 | 100 | 100 | 60 | 90 | 94 | 92.8 |
硫酸铜 | 100 | 10 | 35 | 100 | 70 | 70 | 10 | 51.5 |
硫酸锰 | 89 | 81 | 98 | 100 | 70 | 90 | 42 | 78.2 |
表7 不同溶液放电效果评价
Table 7 Evaluation of discharge effect of different solutions
溶液 | 评分 | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
放电时间 | 金属 总损失 | 总磷 泄漏量 | 溶液TOC | 溶液pH | 气体 危害等级 | 介质成本 | 总分 | |
纯水 | 68 | 63 | 35 | 18 | 80 | 70 | 100 | 66.5 |
自来水 | 84 | 49 | 10 | 10 | 80 | 80 | 100 | 64.6 |
碳酸钠 | 10 | 97 | 99 | 83 | 80 | 90 | 67 | 70.0 |
碳酸钾 | 10 | 96 | 98 | 64 | 80 | 90 | 13 | 57.0 |
碳酸氢钠 | 10 | 98 | 99 | 97 | 90 | 80 | 77 | 73.6 |
碳酸铵 | 10 | 96 | 99 | 87 | 90 | 80 | 51 | 67.0 |
氯化钠 | 100 | 50 | 61 | 46 | 100 | 90 | 94 | 78.5 |
氯化钾 | 100 | 46 | 20 | 10 | 100 | 90 | 49 | 61.0 |
氯化铁 | 100 | 80 | 10 | 10 | 50 | 80 | 60 | 63.0 |
氯化铜 | 100 | 10 | 19 | 69 | 70 | 70 | 10 | 46.8 |
氯化锰 | 100 | 26 | 48 | 14 | 80 | 70 | 25 | 51.4 |
硫酸钠 | 98 | 85 | 99 | 100 | 100 | 90 | 94 | 94.3 |
硫酸钾 | 99 | 37 | 100 | 100 | 100 | 90 | 50 | 76.2 |
硫酸亚铁 | 100 | 86 | 100 | 100 | 60 | 90 | 94 | 92.8 |
硫酸铜 | 100 | 10 | 35 | 100 | 70 | 70 | 10 | 51.5 |
硫酸锰 | 89 | 81 | 98 | 100 | 70 | 90 | 42 | 78.2 |
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