一种基于废旧磷酸铁锂电极材料制备铁基@碳/泡沫镍复合催化剂的方法

本发明涉及基于废旧磷酸铁锂电极材料制备铁基@碳/泡沫镍复合催化剂的方法，属于锂离子电池回收和电解水领域。

背景技术：

1、锂离子电池由于其高能量密度和低成本优势而被广泛用于新能源汽车动力蓄电池等领域。由于容量衰减，锂离子动力电池在使用3～5年后将面临退役。预计2025年退役动力锂电池将达到134.49gwh，退役量达80.36万吨。废旧锂离子电池的回收处理和再制造锂离子电池电极材料是实现锂离子电池可持续发展的重要措施。

2、目前，废旧锂离子电池回收的主流方法包括湿法冶金和火法冶金两种。然而湿法冶金回收步骤复杂，易产生大量废水；火法冶金能耗大，易排放有毒烟气，难以去除金属杂质。目前的研究难点是如何在绿色环保的基础上对废旧磷酸铁锂电极材料进行全元素回收与高值化再利用。

3、现有的湿法回收工艺通常采用的是酸浸法，易产生大量污染废水，对设备要求高，工艺流程长，回收产物通常是锂盐和磷酸铁，回收经济效益较低。如果能在有效回收锂盐的同时，将废旧磷酸铁锂电极材料中的铁、碳元素转变成高性能复合催化剂，应用于电解水领域，将能实现废旧磷酸铁锂电极材料的综合回收与高值化再利用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述现有技术所存在的不足，提供了一种基于废旧磷酸铁锂电极材料制备铁基@碳/泡沫镍复合催化剂的方法，旨在解决回收过程工艺流程长、环境污染大、回收经济效益低的问题。通过直流电场脱出锂离子，能有效减少化学试剂的使用，由于脱锂态的磷酸铁锂能与碱发生化学反应脱出磷元素，通过调控锂离子的脱出速率和碱液的浓度等条件，可使其中的铁元素形成氧化物纳米片自组装的花状结构。该形貌结构具有较大比表面积，可提供大量的催化活性位点，电解水催化析氢、析氧性能优良，可以应用于电解水催化剂。该方法具有工艺简单，设备要求低，绿色环保，回收产物附加值高等优势。

2、本发明为实现发明目的，采用如下技术方案：

3、一种基于废旧磷酸铁锂电极材料制备铁基@碳/泡沫镍复合催化剂的方法，包括如下步骤：

4、步骤1：将废旧磷酸铁锂电池正极片经预处理得到废旧正极粉料；将有机粘结剂溶于溶剂中，再加入废旧正极粉料，超声分散或搅拌制成浆料；然后将浆料均匀涂覆于泡沫镍上，在空气中干燥得到阳极片；

5、步骤2：将制作的阳极片连接到可调直流电源的正极，将空白钛网连接到负极，以氢氧化钠水溶液作为起始电解液，对两电极施加恒流电场进行电解；

6、步骤3：取出电解后的阳极片，用水洗涤并在空气中干燥，即得到铁基@碳/泡沫镍复合催化剂；

7、步骤4：步骤2剩余的电解液经过滤除去少量脱落的固体粉末、向电解液中补充锂源、蒸发浓缩结晶，即回收得到磷酸锂。

8、进一步地，步骤1中，以废旧正极粉料总质量计，废旧正极粉料中磷酸铁锂含量在95wt％以上，碳在0～3wt％范围内，铝等金属杂质含量在0～2wt％范围内。

9、进一步地，步骤1中，所用有机粘结剂为聚偏氟乙烯(pvdf)或nafion。

10、进一步地，步骤1中，有机粘结剂与废旧正极粉料的质量比为1:10-10000。

11、进一步地，步骤1中，超声分散时间为10-120min，搅拌时间为1-24h。

12、进一步地，步骤2中，作为所述起始电解液的氢氧化钠水溶液浓度在0.01mol/l至2mol/l之间、ph值在9-14之间。

13、进一步地，步骤2中，电解电流在10ma至100ma之间，电解时间在1min至600min之间。

14、进一步地，步骤4中，补锂锂源为氢氧化锂、氯化锂、硝酸锂和乙酸锂中的一种或多种。

15、进一步地，步骤4中，蒸发温度在100℃至150℃之间。

16、与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

17、本发明方法通过调控锂离子的脱出速率和碱液的浓度，使磷酸铁锂转变为铁氧化物纳米片自组装的花状铁基@碳材料，该材料具有优良的电解水催化析氢、析氧性能，可以应用于电解水催化剂领域。该方法相较于传统酸法回收具有环境污染小、回收成本低、工艺简单、设备要求低、回收产物附加值高等优势，实现退役锂离子电池中锂、铁、磷、碳等元素的高效回收与高值化再利用，解决了回收过程中的环境污染问题和回收产品经济效益低的问题。

技术特征：

1.一种基于废旧磷酸铁锂电极材料制备铁基@碳/泡沫镍复合催化剂的方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于废旧磷酸铁锂电极材料制备铁基@碳/泡沫镍复合催化剂的方法，其特征在于：步骤1中，以废旧正极粉料总质量计，废旧正极粉料中磷酸铁锂含量在95wt％以上，碳在0～3wt％范围内，金属杂质含量在0～2wt％范围内。

3.根据权利要求1所述的基于废旧磷酸铁锂电极材料制备铁基@碳/泡沫镍复合催化剂的方法，其特征在于：步骤1中，所述有机粘结剂为聚偏氟乙烯或nafion。

4.根据权利要求1所述的基于废旧磷酸铁锂电极材料制备铁基@碳/泡沫镍复合催化剂的方法，其特征在于：步骤1中，所述有机粘结剂与废旧正极粉料的质量比为1:10-10000。

5.根据权利要求1所述的基于废旧磷酸铁锂电极材料制备铁基@碳/泡沫镍复合催化剂的方法，其特征在于：步骤1中，超声分散时间为10-120min，搅拌时间为1-24h。

6.根据权利要求1所述的基于废旧磷酸铁锂电极材料制备铁基@碳/泡沫镍复合催化剂的方法，其特征在于：步骤2中，作为所述起始电解液的氢氧化钠水溶液浓度在0.01mol/l至2mol/l之间、ph值在9-14之间。

7.根据权利要求1所述的基于废旧磷酸铁锂电极材料制备铁基@碳/泡沫镍复合催化剂的方法，其特征在于：步骤2中，电解电流在10ma至100ma之间，电解时间在1min至600min之间。

8.根据权利要求1所述的基于废旧磷酸铁锂电极材料制备铁基@碳/泡沫镍复合催化剂的方法，其特征在于：步骤3中，制备得到的铁基@碳/泡沫镍复合催化剂由铁氧化物纳米片自组装形成花状形貌，可用作电解水反应的析氢、析氧双功能催化剂。

9.根据权利要求1所述的基于废旧磷酸铁锂电极材料制备铁基@碳/泡沫镍复合催化剂的方法，其特征在于：步骤4中，所述锂源为氢氧化锂、氯化锂、硝酸锂和乙酸锂中的一种或多种。

10.根据权利要求1所述的基于废旧磷酸铁锂电极材料制备铁基@碳/泡沫镍复合催化剂的方法，其特征在于：步骤4中，蒸发温度在100℃至150℃之间。

技术总结
本发明公开了一种基于废旧磷酸铁锂电极材料制备铁基@碳/泡沫镍复合催化剂的方法，首先将废旧磷酸铁锂电池正极片经预处理得到废旧正极粉料，再将废旧正极粉料加入到含有机粘结剂的溶剂中并超声分散或搅拌制成浆料，然后将浆料均匀涂覆于泡沫镍上并在空气中干燥得到阳极片，最后对阳极片进行电解得到铁基@碳/泡沫镍复合催化剂，电解液可回收得到磷酸锂。本发明的回收方法能有效减少化学试剂的使用，实现废旧磷酸铁锂电极材料的锂、铁、磷、碳等元素的高效回收与高值化再利用。

技术研发人员：张卫新,池梓维,杨则恒,刘淳
受保护的技术使用者：合肥工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11