离子液体驱动正极还原法实现锂离子电池的绿色可持续回收

研究背景

电动汽车作为一种低碳技术，正在全球范围内迅速发展，以满足全球对低碳社会的需求。在未来几十年，电动汽车使用的锂离子电池（LIBs）将逐步淘汰。从废旧锂电池中回收高价值金属，如锂、钴和镍，可以使有价值的材料重新用于电池生产，并降低其环境风险。

研究人员在回收废旧电池中的贵重金属和发展电池闭环回收系统方面作出了广泛的努力。从降解的正极材料中回收金属的回收工艺包括火法冶金和湿法冶金。火法冶金回收工艺需要高温（>1000℃）将正极材料转化为合金，因其生产率高而被企业广泛采用。然而，高能源消耗和有毒气体排放引起了人们对经济收益和环境保护的担忧。另一方面，湿法冶金回收工艺采用酸性试剂（包括硝酸、盐酸、硫酸）从正极材料中浸出金属，适用于所有电池化学成分，能耗低，金属浸出效率高，具有工业潜力。令人遗憾的是，强酸试剂通常会释放有害气体，对环境造成严重危害。因此，高效和生态友好的废LIBs回收过程的创新至关重要。为了减少回收过程中的污染，人们研究了深共晶溶剂（DESs）作为替代浸出剂。在室温下呈液态的有机盐被称为室温离子液体（ILs）。它们具有可忽略不计的蒸汽压，高热稳定性和广泛的合成柔韧性。特别是，它提供了一个完全由离子组成的反应环境，并对无机材料表现出优异的溶解性能。

文章亮点

在本研究中，作者展示了一个绿色和可回收的过程，使用离子液体，1-(2,3-二羟丙基)-3-甲基咪唑氯(咪唑乙二醇)。这种IL诱导了LIB正极上过渡金属离子的还原和溶解。对于锂钴氧化物正极，我们证明了锂的浸出效率为100%，钴的浸出效率为99.62%。X射线衍射和热重质谱表明，咪唑乙二醇优先溶解锂，并诱导晶格氧化阴离子(O2-)将不溶性的高价Co(III)还原为可溶的Co(II)配合物。该工艺避免了有害气体的排放，并且易于回收，具有经济和环境的双重优势。该工艺提供了环境友好和可持续的锂离子正极回收，并为工业规模的回收提供了合适的途径。

图文解读

图 1. 咪唑乙二醇浸出法回收锂电池。

（a）咪唑乙二醇浸出法回收锂电池。（b）咪唑二醇基废旧电池绿色回收工艺示意图。将废电池拆解，正极分散在咪唑乙二醇中。LCO可以溶解在咪唑乙二醇中，而其他组分（碳、PVDF和铝箔）通过过滤分离。采用共沉淀法回收了咪唑乙二醇中的金属离子，并回收了咪唑乙二醇。

图 2. 咪唑乙二醇浸出金属。

（a）纯咪唑乙二醇与LCO混合和咪唑乙二醇的红外光谱。（b）去锂化前后咪唑乙二醇与LCO的结合能。（c）去锂化前后咪唑-乙二醇-LCO体系的吉布斯自由能。（d）LCO在不同温度下溶解后的咪唑乙二醇变色照片。120℃下不同浸出时间下LCO中（e）Li、Co和NCM622中（f）Li、Co、Ni、Mn的浸出效率。

图 3. 浸出过程机理分析。

（a）100℃空气气氛下LCO正极浸出过程的XRD谱图（*仪器背景峰）。（b）(003)峰演化图和（c）(101)峰演化图。（d）原始对照LCO粉末，（e）浸出后LCO的STEM-HAADF图像。（f）LCO的结构演变。（g）He气氛下120℃下咪唑乙二醇-LCO浸出过程的TGA-MS结果等高线图。（h）不同质荷比的时间-浓度曲线图。

图4. 过滤后咪唑乙二醇渗滤液的结构分析。

（a）纯咪唑乙二醇和咪唑乙二醇浸出液的1H NMR谱和（b）13C NMR谱。（c）纯咪唑乙二醇和咪唑乙二醇渗滤液的紫外光谱。（d）纯咪唑乙二醇和咪唑乙二醇渗滤液的拉曼光谱。（e）120℃下Li, Co的化学反应控制模型图。（f）120℃下Li, Co残留层扩散控制模型图。

图5. 金属离子与咪唑乙二醇的回收与表征。

（a）从废LIBs中分离和浸出金属。（b）Co2O4·2H2O和煅烧后Co3O4、（c）Ni1/3Co1/3Mn1/3C2O4·2H2O和(Ni1/3Co1/3Mn1/3)3O4、（d）Li2CO3的XRD谱图。（e）锂和钴在120°C下20小时的初始和1,3,5次循环后的浸出效率。（f）回收的咪唑乙二醇浸出后的1H NMR谱图显示化学成分和结构不变。（g）浸出性能与以往文献比较的雷达图。曲线面积越大，评价越高。

总结与展望

作者设计并合成了一种离子浸出剂咪唑乙二醇，并演示了一种高效的废锂电池正极回收工艺。该机理实验表明，这种咪唑乙二醇诱导氧阴离子还原高价过渡金属离子，使还原剂的使用变得不必要。这种回收工艺对锂、钴、镍和锰的浸出效率很高。在所有情况下，这种浸出都没有产生任何有害气体排放。此外，咪唑乙二醇很容易回收和再利用，为LIBs提供了一个可持续和环保的回收过程。

第一作者：Yin Hu

通讯作者：严锋

文章链接：https://doi.org/10.1039/D4EE00331D

 

审核编辑：刘清