18175

18175

سنتز اسپينل LiMn2O4‌ با مواد حاصل از بازگرداني باتري هاي مستعمل

كارشناسي ارشد

استخراج فلزات

آبان 1396

دكتر عليرضا ذاكري - دكتر ماندانا عادلي

مواد و متالورژي

امروزه باتري¬هاي ليتيوم-يون به دليل ويژگي¬هاي منحصر به فردشان مورد توجه صنايع مختلف قرار گرفته است و اين افزايش در توليد سبب افزايش اهميت موضوع بازيابي آن¬ها شده است. به دليل الزامات زيست‌محيطي و كمبود منابع تجديد ناپذير، بازگرداني پسماندها مورد توجه جدي جوامع امروزي است. از جمله اين پسماندها انواع باتري‌ها هستند كه منبع ثانويه مناسبي براي فلزات محتوي محسوب مي¬شوند. در اين پژوهش بازگرداني باتري¬هاي مستعمل روي-كربن و ليتيوم-يون (نوع LiNixMnyCozO2) به ترتيب براي بازيابي منگنز و ليتيوم و در نهايت سنتز ماده¬ي كاتدي LiMn2O4 از اين باتري¬ها مورد بررسي قرار گرفت. در مورد باتري روي-كربن ابتدا اجزاي با ارزش باتري شامل آند، كاتد و الكتروليت با هدف حذف الكتروليت (كلريد روي) تحت فروشويي خنثي قرار گرفت. سپس، فروشويي كلي با اسيد سولفوريك 2 مولار در حضور عوامل احيايي (اگزاليك اسيد و گلوكز) در دماي C° 70 به مدت 120 دقيقه انجام گرفت. در نهايت، از محلول حاصل از فروشويي اسيدي، منگنز به كمك عامل رسوب‌دهنده به صورت ذرات كروي MnO2 با ساختار آمورف و اندازه زير ميكرون استحصال شد. در مورد باتري ليتيوم-يون پس از دشارژ و دمونتاژ باتري، آلومينيوم با استفاده از محلول سديم هيدروكسيد 5/2 مولار، تحت شرايط دماي محيط و زمان دو ساعت به طور انتخابي از كاتد خارج شد. در مرحله بعد ليتيوم موجود در پسماند مرحله آلومينيوم زدايي، از طريق فروشويي انتخابي در محلول اگزاليك اسيد در دماي 70 درجه سانتي¬گراد و زمان 2 ساعت ازساير عناصر موجود جدا گرديد و با حرارت¬دهي و تبلور به صورت اگزالات تك آبه (C2HLiO4.H2O) استحصال شد. در نهايت از مواد حاصل از بازگرداني باتري¬هاي مستعمل جهت سنتز كاتد اسپينلي LiMn2O4 بهره برده شد و تاثير پارامترهاي مواد اوليه حاصل از بازيابي باتري¬هاي مستعمل (MnO2، Mn2O3، Li2CO3 و C2HLiO4.H2O)، دماي سنتز (850-500 درجه سانتي¬گراد)، زمان سنتز (10-6 ساعت) و فعال¬سازي مكانيكي مورد بررسي قرار گرفت و همچنين پارامترهايي جهت پيش¬بيني عملكرد الكتروشيميايي كاتد سنتز شده با الگوهاي پراش اشعه ايكس تعريف شد. طبق نتايج حاصل شده، عملكرد الكتروشيميايي كاتد اسپينلي سنتز شده در دماي 850 درجه سانتي¬گراد در زمان 10 ساعت درميان ساير نمونه¬ها به عنوان بهترين نمونه پيش بيني شد. جهت بررسي عملكرد الكتروشيميايي كاتد سنتز شده و تاييد پيش¬بيني¬هاي صورت گرفته از آزمون شارژ/دشارژ باتري در محدوده¬ي 3/4-5/2 ولت استفاده شد كه ظرفيت ويژه¬ي اوليه¬ي mAh/g 3/118 براي بهترين نمونه¬ي پيش بيني شده بدست آمد.

1396/09/26

12/17/2017 12:00:00 AM

The recycling of industrial wastes is a serious concern of today's societies due to the environmental requirements as well as the lack of non-renewable resources. Lithium-ion batteries have recently been considered as batteries with technological importance in many applications owing to their unique features; the recycling of these electronic devices is also of considerable importance. In this study, recycling of lithium-ion (LiNixMnyCozO2) as well as zinc-carbon, manganese-containing batteries has been performed to recover lithium and manganese, respectively, and then a cathode material (LiMn2O4) was synthesized using these recycled values. In the case of Zn-C batteries, the valuable components including anode, cathode and electrolyte were first neutral-leached with distilled water to remove electrolyte (zinc chloride) and then a complete leaching stage was carried out by a solution of 2M sulfuric acid in the presence of reducing agents (oxalic acid and glucose) at 70°C for 120 minutes. Eventually, manganese was precipitated from acidic leaching solution as spherical MnO2 particles having amorphous structure and sub-micron sizes. In the case of lithium-ion batteries, after discharging and disassembling, the attaching aluminum foil was selectively dissolved from the cathode by leaching in 2.5M sodium hydroxide solution in ambient temperature for 2 hours. In the next step, the lithium of the solid residue was separated from other elements (Ni, Co, and Mn) by a selective leaching method with oxalic acid at 70°C for 2 hours. Then, crystalline lithium oxalate (C2HLiO4.H2O) was obtained by evaporation of the resulting solution. Finally, the recovered materials from the used batteries were utilized to synthesize LiMn2O4 spinel cathode and the effects of parameters like type of raw materials recovered from recycled batteries, synthesis temperature, synthesis time and mechanical activation were investigated. Certain parameters were studied to predict the electrochemical performance of the synthesized cathode using X-ray diffraction patterns. According to the results, the electrochemical performance of the spinel cathode synthesized at 850°C for 10 hours was predicted to be the best. In order to eva​luate the electrochemical performance of the synthesized cathode in practice, the cathode was subjected to a battery charge/discharge test in the range of 2.5-4.5 volts. The initial specific capacity of the predicted sample was obtained as 118.3mAh/g.