Получение карбоната лития из «черной массы» литий-ионных аккумуляторов

Исследована возможность получения карбоната лития из «черной массы» – промежуточного продукта переработки литий-ионных аккумуляторов. Проведены рентгенофазовый анализ и атомно-эмиссионная спектроскопия с индуктивно связанной плазмой «черной массы», результаты которых показали, что содержание лития в ней составляет 3 %. Установлено, что при водном выщелачивании из «черной массы» в водную фазу можно селективно извлечь от 40 до 70 % лития при соотношении Ж : Т от 10 до 200. В процессе водного выщелачивания были сняты кинетические кривые при температурах 25 и 80 °С. Для удаления ионов Al из раствора выщелачивания исследовалась сорбция алюминат-иона на слабоосновных (АН-31, CRB05) и сильноосновных (A500) анионитах в статических условиях на модельном Li–Al-растворе. Показано, что в щелочной среде сильноосновные аниониты с четвертичными аминогруппами не способны поглощать ионы Al, в то время как АН-31 и CRB05, имеющие в составе функциональных групп гидроксильные группировки, обладают емкостью от 2 до 3 г/дм³ по ионам Al. Проведена сорбция алюминия из модельного Li–Al-раствора в динамических условиях с использованием анионита CRB05 (N-метилглюкамин) при удельной скорости потока 2 и 4 колоночных объема в час, сняты выходные кривые сорбции, рассчитаны динамическая обменная и полная динамическая обменная емкости. Показано, что ионы Al могут быть удалены сорбцией до остаточной концентрации в рафинате менее 0,5 мг/дм³. Также была проведена сорбционная очистка раствора водного выщелачивания «черной массы» с использованием слабоосновного анионита Diaion CRB05 и хелатного катионита Purolite S950. После упаривания очищенного раствора был получен карбонат лития с содержанием основного вещества 98,2 %. 

1. Саркаров Р.А., Белан С.И., Гусейнов Н.М. Оценка современного состояния и перспективы добычи лития и его соединений в России. Индустриальная экономика. 2022;1(2):57—68. https://doi.org/10.47576/2712-7559_2022_2_1_57

2. Mizushima K., Jones P.J., Wiseman J.B., Goodenough J.B. LixCoO2 (0 < x < –1): A new cathode material for batteries of high energy density. Materials Research Bulletin. 1980;15:783—789. https://doi.org/10.1016/0025-5408(80)90012-4

3. Thackeray M.M., Johnson P.J., De Picciotto L.A., Bruce P.G., Goodenough J.B. Electrochemical extraction of lithium from LiMn2O4. Materials Research Bulletin. 1984;19(2):179—187. https://doi.org/10.1016/0025-5408(84)90088-6

4. Zaghib K., Simoneau, M., Armand M., Gauthier M. Electrochemical study of Li4Ti5O12 as negative electrode for Li-ion polymer rechargeable batteries. Journal of Power Sources. 1999;81:300—305. https://doi.org/10.1016/S0378-7753(99)00209-8

5. Padhi A.K., Nanjundaswamy K.S., Goodenough J.B. Phospho-olivines as positive-electrode materials for rechargeable lithium batteries. Journal of the electrochemical society. 1997;144(4):1188. https://doi.org/10.1149/1.1837571

6. Shi P., Li T., Zhang R., Shen X., Cheng X. B., Xu R., Huang X. C. Liu H., Zhang Q. Lithiophilic LiC6 layers on carbon hosts enabling stable Li metal anode in working batteries. Advanced Materials. 2019;31(8):1807131. https://doi.org/10.1002/adma.201807131

7. Aaltonen M., Peng C., Wilson B.P., Lundström M. Leaching of metals from spent lithium-ion batteries. Recycling. 2017;2(4):20. https://doi.org/10.3390/recycling2040020

8. Lie J., Liu J.C. Closed-vessel microwave leaching of valuable metals from spent lithium-ion batteries (LIBs) using dual-function leaching agent: Ascorbic acid. Separation and Purification Technology. 2021;266:118458. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2021.118458

9. Golmohammadzadeh R., Faraji F., Rashchi F. Recovery of lithium and cobalt from spent lithium ion batteries (LIBs) using organic acids as leaching reagents: A review. Resources, Conservation and Recycling. 2018;136:418—435. https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2018.04.024

10. De Oliveira Demarco J., Cadore J. S., da Silveira de Oliveira F., Tanabe E. H., Bertuol D. A. Recovery of metals from spent lithium-ion batteries using organic acids. Hydrometallurgy. 2019;190:105169. https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2019.105169

11. Esmaeili M., Rastegar S.O., Beigzadeh R., Gu T. Ultrasound-assisted leaching of spent lithium ion batteries by natural organic acids and H2O2. Chemosphere. 2020;254:126670. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2020.126670

12. Fu Y., He Y., Chen H., Ye C., Lu Q., Li R., Xie W., Wang J. Effective leaching and extraction of valuable metals from electrode material of spent lithium-ion batteries using mixed organic acids leachant. Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 2019;79:154—162. https://doi.org/10.1016/j.jiec.2019.06.023

13. Gao W., Liu C., Cao H., Zheng X., Lin X., Wang H., Zhang Y., Sun Z. Comprehensive evaluation on effective leaching of critical metals from spent lithium-ion batteries. Waste Management. 2018;75:477—485. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2018.02.023

14. Urbańska W. Recovery of Co, Li, and Ni from spent Li-ion batteries by the inorganic and/or organic reducer assisted leaching method. Minerals. 2020;10(6):555. https://doi.org/10.3390/min10060555

15. Nayl A.A., Elkhashab R.A., Badawy S.M., El-Khateeb M.A. Acid leaching of mixed spent Li-ion batteries. Arabian Journal of Chemistry. 2017;10:S3632—S3639. https://doi.org/10.1016/j.arabjc.2014.04.001

16. Ku H., Jung Y., Jo M., Park S., Kim S., Yang D., Rhee K., An E.M. Sohn J., Kwon K. Recycling of spent lithium-ion battery cathode materials by ammoniacal leaching. Journal of hazardous materials. 2016;313:138—146. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2016.03.062

17. Gaye N., Gueye R.S., Ledauphin J., Balde M., Seck M., Wele A., Diaw M. Alkaline leaching of metals from cathodic materials of spent lithium-ion batteries. Asian Journal of Applied Chemistry Research. 2019:3(2);1—7. https://doi.org/10.9734/AJACR/2019/v3i230088

18. Kim D., Quang N. D., Hien T. T., Chinh N. D., Kim C., Kim D. 3D inverse-opal structured Li4Ti5O12 Anode for fast Li-ion storage capabilities. Electronic Materials Letters. 2017:13(6):505—511. https://doi.org/10.1007/s13391-017-7101-x

19. Wang S.L., Lin C.H., Yan, Y.Y., Wang M.K. Synthesis of Li/Al LDH using aluminum and LiOH. Applied Clay Science. 2013;72:191—195. https://doi.org/10.1016/j.clay.2013.02.001

20. Чистяков А.А., Чиркст Д.Э., Черемисина О.В. Сорбция алюмината из щелочных растворов на анионите D-403. Журнал физической химии. 2011:85(11):2137—2141.

21. Черемисина О.В., Пономарева М.А., Сагдиев В.Н. Cорбционное извлечение галлия и алюминия из щелочных растворов на анионите АН-31. Известия вузов. Цветная металлургия. 2017:(3);56—64. https://doi.org/10.17073/0021-3438-2017-3-56-64

22. Рамазанов А.Ш., Свешникова Д.А., Атаев Д.Р. Кинетика сорбции катиона лития свежеосажденным гидроксидом алюминия из природного рассола. Сорбционные и хроматографические процессы. 2021:21(2);225—234. https://doi.org/10.17308/sorpchrom.2021.21/3356

23. Jiang H., Yang Y., Sun S., Yu J. Adsorption of lithium ions on lithium-aluminum hydroxides: Equilibrium and kinetics. The Canadian Journal of Chemical Engineering. 2020:98(2);544—555. https://doi.org/10.1002/cjce.23640

24. Zhang H., Yang Y., Ren D., Wang L., He X. Graphite as anode materials: Fundamental mechanism, recent progress and advances. Energy Storage Materials. 2021;36:147—170. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2020.12.027

25. Wajima T., Munakata K., Uda T. Adsorption behavior of lithium from seawater using manganese oxide adsorbent. Plasma and Fusion Research. 2012;7:2405021. https://doi.org/10.1585/pfr.7.2405021

26. Chitrakar R., Kanoh H., Miyai Y., Ooi K. Recovery of lithium from seawater using manganese oxide adsorbent (H1.6Mn1.6O4) derived from Li1.6Mn1.6O4. Industrial & Engineering Chemistry Research. 2001:40(9):2054—2058. https://doi.org/10.1021/ie000911h

27. Hossain S.M., Ibrahim I., Choo Y., Razmjou A., Naidu G., Tijing L., Kim J., Shon H.K. Preparation of effective lithium-ion sieve from sludge-generated TiO2. Desalination. 2022;525:115491. https://doi.org/10.1016/j.desal.2021.115491

28. Li X., Chen L., Chao Y., Chen W., Luo J., Xiong J., Zhu F., Chu X., Li H., Zhu W. Amorphous TiO2 — derived large — capacity lithium ion sieve for lithium recovery. Chemical Engineering & Technology. 2020:43(9); 1784—1791. https://doi.org/10.1002/ceat.201900374

29. Волкова Т.С., Рудских В.В. Исследование возможности очистки раствора хлорида лития от примесей сорбционным методом. Журнал прикладной химии. 2019;92(8):1021—1029. https://doi.org/10.1134/S0044461819080097

30. Kiefer R., Höll W.H. Sorption of heavy metals onto selective ion-exchange resins with aminophosphonate functional groups. Industrial & Engineering Chemistry Research. 2001;40(21):4570—4576. https://doi.org/10.1021/ie010182l

31. Милютин В.В., Некрасова Н.А., Рудских В.В., Волкова Т.С. Получение высокочистого карбоната лития с использованием комплексообразующих ионитов. Журнал прикладной химии. 2020;93(4): 540—544. https://doi.org/10.31857/S0044461820040088

32. Hertz J.T., Huang Q., McQueen T., Klimczuk T., Bos J.W.G., Viciu L., Cava R.J. Magnetism and structure of LixCoO2 and comparison to NaxCoO2. Physical Review B. 2008;77(7):075119. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.77.075119