[发明专利]用支撑型膜溶剂萃取从报废锂离子电池中回收关键元素

说明书

提供用于从锂离子电池中以基本上纯形式回收关键元素的单阶段和多阶段系统和方法。该系统和方法包括使用可渗透中空纤维孔隙内固定的有机相的支撑型膜溶剂萃取。所述可渗透中空纤维在一侧与进料溶液接触，和在另一侧与反萃取溶液接触，以提供从溶解的锂离子阴极材料中同时萃取和反萃取元素，同时从所述进料溶液中排斥其他元素。与传统溶剂萃取工艺相比较，所述单‑和多阶段系统和方法可从使用过的电池阴极中选择性地回收钴、锰、镍、锂、铝及其他元素并且不受平衡约束的限制。

本发明为在美国能源部(U.S. Department of Energy)授予的合同号DE-AC05-00OR22725在政府支持下完成。政府在本发明中具有一定权利。

技术领域

本发明涉及从报废锂离子电池中以其纯形式回收关键元素，并且特别是使用支撑型膜溶剂萃取来回收和分离钴、镍、锰、锂和/或其他元素。

背景技术

近年来，由于锂离子电池在便携式电子产品和电动汽车中的广泛使用，其已在世界范围内引起重点关注。锂离子电池比常规镍-镉(Ni-Cd)或镍-金属氢化物(NiMH)电池更小、更轻、没有记忆效应，并且每单位体积提供更多能量。

钴认为是一种关键材料，并且在锂离子电池中大量且越来越多地使用。目前，世界上陆地钴资源估计为约2500万吨。钴的最丰富来源主要在刚果民主共和国。钴开采在刚果进行，其目前供应全球钴需求的54%，而中国、俄罗斯和澳大利亚各自贡献全球钴需求的约5%。当前钴供应的30%由锂离子电池行业消耗。因此，锂离子电池认为是提取和回收钴的重要二次资源。进一步地，从使用过的锂离子电池产生的废物中存在金属污染物可不利地影响环境。

常规溶剂萃取方法已商业上用于从一次、二次和报废电池阴极材料中回收钴。然而，常规工艺具有局限性，比如高溶剂库存、乳液形成和包括反萃取和洗涤在内的多步骤操作。已经提出使用具有已知萃取剂比如Cyanex 272和Cyanex 301的支撑型液膜的非分散溶剂萃取方法，用于在存在镍和锰的情况下分离钴。Swain等人(Chemical EngineeringJournal, 2015. 271, p. 61-70)研究了使用Cyanex 272作为萃取剂，通过支撑型中空纤维和平板液膜溶剂萃取来分离钴。该研究中使用的进料溶液为溶解于硫酸中的钴和锂的盐，比如硫酸钴和硫酸锂。然而，锂离子电池中的钴化学比二价钴盐复杂得多。

因此，仍然需要使用支撑型液膜溶剂萃取从锂离子电池中回收钴和其他元素的改进的方法和系统。特别是，仍然需要用于从使用过的锂离子电池中的LiCoO₂和LiNiCoMnO₂(镍-锰-钴或NMC)阴极中以基本上纯形式选择性回收组成元素的改进的方法和系统。

发明内容

提供一种用于从锂离子电池中以基本上纯形式回收元素的方法和系统。该方法和系统包括使用可渗透中空纤维孔隙内固定的有机相的支撑型膜溶剂萃取，用于从具有经调节pH的进料溶液中选择性地萃取元素。可渗透中空纤维在一侧与水性进料溶液接触，和在另一侧与反萃取溶液接触，以提供从溶解的锂离子阴极材料中同时萃取和反萃取元素，同时从进料溶液中排斥其他元素。

在一个实施方案中，该方法包括用具有阳离子液体萃取剂和有机溶剂的有机相润湿多个中空纤维的孔隙。该方法然后包括沿中空纤维的一侧移动水性进料溶液，水性进料溶液包括溶解的含钴的电池材料，例如LiCoO₂或LiNiCoMnO₂。该方法包括同时沿中空纤维的另一侧移动反萃取溶液，水性进料溶液相对于反萃取溶液加压(约2psig)，使得多个中空纤维孔隙中的离子液体萃取剂从水性进料溶液中连续地萃取Co(II)用于通过反萃取溶液回收。