废旧锂离子电池正极材料LiMn₂O₄制备MnO₂及电化学性能深度剖析.docxVIP

废旧锂离子电池正极材料LiMn?O?制备MnO?及电化学性能深度剖析

一、引言

1.1研究背景与意义

锂离子电池凭借能量密度高、循环寿命长、自放电率低以及无记忆效应等显著优势，在便携式电子设备、电动汽车以及储能系统等领域得到了极为广泛的应用。近年来，随着全球对清洁能源的需求不断攀升以及环保意识的日益增强，锂离子电池产业迎来了迅猛发展的黄金时期。据相关数据统计，2024年1-10月，我国锂离子电池总产量高达890GWh，同比增长16%，这一数据充分彰显了锂离子电池在当今能源领域的重要地位。

然而，锂离子电池的使用寿命通常在3-5年左右，随着其应用规模的持续扩大，废旧锂离子电池的数量也在与日俱增。若这些废旧电池得不到妥善处理，其中含有的锂、钴、镍、锰等有价金属将会造成严重的资源浪费，而电池中的电解液及其他化学物质则会对土壤、水体等生态环境构成极大威胁，进而危及人类的生存环境。因此，对废旧锂离子电池进行高效回收利用，已成为当前亟待解决的关键问题。

尖晶石型LiMn?O?作为锂离子电池的正极材料之一，以其资源丰富、成本低廉、环境友好以及良好的安全性能等特点，在电动自行车、混合电动汽车等领域得到了广泛应用。随着LiMn?O?电池的大规模推广，大量的废旧LiMn?O?电极材料应运而生。传统的回收处理方法仅仅将电极材料中的锂、锰等金属元素通过溶解-沉淀等分离工艺回收提纯，转变为基本化工原料，却未能充分考虑到这些材料的特殊性质和潜在价值，未能实现对其的合理利用。这种处理方式不仅在经济层面上缺乏效益，无法实现资源的最大化利用，而且与我国所倡导的资源有效利用与循环利用政策背道而驰，不符合可持续发展的战略要求。

MnO?作为一种重要的无机材料，在电池、催化、吸附等众多领域展现出了广泛的应用前景。在电池领域，MnO?是锌锰电池、碱锰电池等一次电池的关键正极材料，同时在超级电容器、锂离子电池等储能器件中也具有潜在的应用价值。通过将废旧LiMn?O?转化为MnO?，不仅能够实现对废旧电池中锰资源的有效回收利用，减少资源浪费和环境污染，还能够为MnO?的制备开辟新的原料来源，降低生产成本，具有显著的经济效益和环境效益。此外，不同晶型和形貌的MnO?具有各异的物理化学性质和电化学性能，深入研究从废旧LiMn?O?制备的MnO?的结构与性能关系，对于开发高性能的电池电极材料和储能器件具有重要的理论指导意义。

1.2国内外研究现状

在废旧锂离子电池回收领域，国内外学者开展了大量研究工作，主要集中在物理法、化学法和生物法等回收技术方面。物理法回收技术主要包括机械破碎、筛分、磁选、重力分选等，通过物理手段将电池中的不同组分进行分离。该方法具有工艺流程简单、成本较低、环境友好等优点，但回收效率相对较低，难以实现对有价金属的高效回收。化学法回收技术则是利用化学试剂将电池中的有价金属溶解出来，再通过沉淀、萃取、电解等方法进行分离和提纯。常见的化学法包括酸浸法、碱浸法、焙烧-浸出法等。化学法回收效率高，能够实现对多种有价金属的综合回收，但存在工艺流程复杂、化学试剂消耗量大、易产生二次污染等问题。生物法回收技术是利用微生物的代谢作用将电池中的有价金属溶解出来，具有环境友好、能耗低等优点，但目前该技术还处于实验室研究阶段，存在回收周期长、菌种培养困难等问题。

针对废旧LiMn?O?的回收，一些研究致力于从其中提取锂、锰等金属元素，并将其转化为相应的化合物。如通过酸浸、沉淀等工艺回收锂盐和锰盐，但这些方法往往忽略了直接将LiMn?O?转化为具有更高附加值材料的可能性。在将废旧LiMn?O?制备MnO?方面，已有研究采用化学沉淀法、水热法、溶胶-凝胶法等。化学沉淀法是在一定条件下，使锰离子与沉淀剂反应生成MnO?沉淀，该方法操作简单，但产物的纯度和结晶度相对较低。水热法是在高温高压的水热条件下，使前驱体发生化学反应生成MnO?，能够制备出结晶度高、形貌可控的MnO?，但设备成本高，生产周期长。溶胶-凝胶法是通过溶胶-凝胶过程制备MnO?，具有反应条件温和、产物纯度高、粒径均匀等优点，但工艺复杂，成本较高。

在MnO?电化学性能研究方面，不同晶型和形貌的MnO?展现出不同的电化学性能。α-MnO?具有较大的隧道结构，有利于离子的扩散和嵌入，在电池和超级电容器中表现出较好的倍率性能；β-MnO?属于四方晶系，具有金红石结构，其晶体结构相对稳定，但离子扩散速率较慢，导致其电化学性能相对较差；γ-MnO?为[1X1]与[2X1]隧道交错生长的结构，具有较大的比表面积和良好的电化学活性，在储能领域具有潜在的应用价值。目前，对于从废旧LiMn?O?制备的MnO?的电化学性能研究还相