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超临界水中废旧锂离子电池正极金属材料溶解特性及其热-反应协同优化研究

批准号:
52076071
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
陈敬炜
依托单位:
学科分类:
多相流热物理学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
陈敬炜

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
基于超临界水在资源回收利用中具有绿色、高效、短流程的显著优势,本项目以锂离子电池正极金属材料为研究对象,研究超临界水操作参数对正极金属材料溶解特性影响规律,同时剖析正极金属材料在超临界水中的复杂溶解行为及其热力学机理;然后,采用经验与半经验模型、状态方程、响应面分析方法建立超临界水操作参数与金属材料溶解度间的关联模型,并通过实验验证筛选出最优溶解度模型;接着,研究有机物在超临界水中的氧化、还原反应对正极金属材料溶解特性的影响规律,为将来一体化去除正极材料中有机物杂质并高效回收有价金属奠定基础;最后,根据唯象理论,构建基于最小熵增原理的超临界水中正极金属材料溶解过程的热-反应多场协同数学模型,实现多工况条件下的超临界水中溶解特性的多场协同优化。项目研究成果将为超临界水高效绿色回收废旧锂离子电池有价金属提供理论基础,也可以为超临界水绿色回收其他电子废弃物中有价金属提供理论参考依据。
英文摘要
Supercritical water has significant advantages in resource recovery and utilization, such as low environmental pollution, high efficiency and short process. Using the metallic cathode materials of spent lithium ion batteries as the research subject, this project will study the effect of supercritical water operation parameters on the dissolution characteristics of metallic cathode materials, and analyze the complex behavior of supercritical water dissolution of metallic cathode materials and its thermodynamic mechanisms. Then, empirical and semi-empirical models, equations of state, and a response surface analysis method will be used to build the correlation model between the operating parameters of supercritical water and the solubility of metal materials. Then, the effect of the oxidation and reduction reaction of organic matter in supercritical water on the dissolution characteristics of metallic cathode materials will be studied, which will lay a foundation for the integrated process including removal of organic matter impurities in the cathodes and the efficient recovery of valuable metals in the future. Finally, based on the theory of phenomenology and the principle of minimum entropy production, a mathematical model of the heat-reaction field coordination of the metal materials dissolution in supercritical water will be built. The multi-field collaborative optimization of dissolution characteristics in supercritical water under multi-working conditions will be realized. The project results will provide a theoretical basis for the efficient and green recovery of valuable metals from spent lithium ion batteries and other electronic wastes by supercritical water.
近年来,锂离子电池的产量急剧攀升,废弃锂离子电池的无害化和资源化利用是热点也是难点。锂离子电池正极材料中的有价金属属于稀有资源,具有很高的回收价值。基于超临界水/中低温水热溶剂特性可调、过程环保、处理速度快等优点,本项目提出采用超临界水/中低温水热方法回收废旧锂电池正极材料中的有价金属,研究了正极金属化合物在超临界水/中低温水热环境中溶解特性,获得了水热参数对钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂等典型正极金属材料溶解浸出过程影响规律;其次,本项目建立了锂电池正极材料水热溶解过程的微观机理模型和宏观热力学模型,获得了碳酸锂、钴酸锂、锰酸锂等锂金属化合物在超临界水/中低温水热条件下的溶解特性、离子行为、团簇形成过程、与有机酸的相互作用、热力学机理等;成功预测了钴酸锂等在超临界水中的溶解产物及溶解特性;接着,本项目研究了废旧锂离子电池正极材料在超临界水/中低温水热回收过程中粘结剂PVDF、NMP等有机物杂质的分解机理,揭示了锂电池正极有机物杂质氧化还原反应与金属化合物溶解的耦合特性;最后,本项目采用多目标优化、正交实验、响应面分析方法等研究了废旧锂离子电池正极材料水热浸出过程与有机物杂质分解机理的协同关系,提出有机物杂质作用下的锂离子金属化合物水热浸出优化工况,通过对参数的控制,三元锂中镍、钴、锰的浸出效率从90.4%、84.7%、86.4%显著提高到99.7%、96.8%和98.5%,锂的浸出率达到98%。废旧磷酸铁锂电池中锂的浸出率超过95%,同时回收获得了高纯度磷酸铁。本项目研究成果包括在《Chemical Engineering Journal》、《Journal of Hazardous Materials》等期刊上发表SCI论文11篇;国际国内会议报告5次;申请发明专利3项;培养硕士生6名,博士生2名。相比于已有的湿法、火法电池回收技术,本项目团队建立的超临界水/中低温水热回收废弃锂离子电池正极材料方法具有流程短、成本低、能耗少、排放小等显著优势,有望实现规模化推广和应用,从而推动废旧锂离子电池回收产业的发展。
废旧锂电池正极材料水热浸出过程跨尺度热质传递-反应协同优化
  • 批准号:
    2026JJ50180
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    0.0万元
  • 批准年份:
    2026
  • 负责人:
    陈敬炜
  • 依托单位:
超临界水热合成纳米镍基催化剂及其催化木质素制氢机理研究
  • 批准号:
    2022JJ30131
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    0.0万元
  • 批准年份:
    2022
  • 负责人:
    陈敬炜
  • 依托单位:
超临界水中废旧锂离子电池正极金属材料溶解特性及其热-反应协同优化研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    --
  • 资助金额:
    58万元
  • 批准年份:
    2020
  • 负责人:
    陈敬炜
  • 依托单位:
离子液体催化亚临界水液化与超临界水气化碱木质素的协同机理研究
  • 批准号:
    51508176
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    20.0万元
  • 批准年份:
    2015
  • 负责人:
    陈敬炜
  • 依托单位:
国内基金
海外基金