从废弃物到功能性材料：通过FeSO?还原浸出和原位共沉淀技术，创新制备纳米CoFe?O?（利用LiCoO?正极废料）

《Separation and Purification Technology》：From waste to functional materials: Innovative preparation of nano-CoFe 2O 4 from LiCoO 2 cathode scrap via FeSO 4 reduction leaching and in-situ co-precipitation

废旧锂离子电池高效回收与钴铁氧体磁性材料制备研究。提出FeSO4还原酸浸结合原位共沉淀法，在最佳条件（40℃、1.0倍硫酸、3小时）下锂钴回收率达99.5%以上。热处理700℃时CoFe2O4纳米材料饱和磁化强度58.20 emu/g，矫顽力560.35 Oe，XRD/XPS证实Co2?/Fe3?占据晶格特征位点。创新点：1）以低成本FeSO4替代H2O2作为还原剂和铁源；2）原位共沉淀实现钴铁氧体前驱体直接合成；3）建立Eh-pH热力学模型指导工艺优化。

　　随着全球对锂离子电池（LIBs）需求的持续增长，废旧锂离子电池的回收和高附加值利用已成为一个重要的发展趋势。这一研究提出了一种创新的工艺，即通过FeSO?还原酸浸和浸出液的原位共沉淀方法，实现废旧LiCoO?正极材料的回收，并合成具有应用潜力的CoFe?O?磁性材料。该方法不仅提高了资源回收的效率，还降低了对昂贵化学品的依赖，为废旧电池的环保处理和资源再利用提供了新的思路。

在实验过程中，FeSO?作为一种低成本的还原剂被用于酸浸步骤，能够高效地提取Li和Co。通过优化浸出参数，如FeSO?的用量、浸出温度和时间等，研究发现，在最佳条件下，Li和Co的浸出率均超过了99.5%。同时，FeSO?在浸出过程中被氧化为Fe?(SO?)?，这一产物可以直接用于浸出液中的Co2?和Fe3?的共沉淀，从而避免了额外添加铁源的需求。这种方法显著简化了工艺流程，降低了生产成本，同时提高了材料的纯度和回收率。

在共沉淀后的前驱体阶段，通过适当的焙烧条件，可以得到纳米级的CoFe?O?磁性材料。XRD、XPS、SEM和TEM等分析手段表明，随着焙烧温度的升高，CoFe?O?的颗粒尺寸逐渐增大，同时Co2?和Fe3?离子分别优先占据四面体和八面体位点。这种结构的变化对材料的磁性能产生了显著影响。进一步的VSM分析显示，当焙烧温度达到700°C时，CoFe?O?表现出较高的饱和磁化强度（58.20 emu/g）和矫顽力（560.35 Oe），使其在永久磁体或磁记录介质中具有广泛的应用前景。

该研究不仅解决了传统方法中对昂贵还原剂和铁源的依赖问题，还通过优化工艺参数，实现了废旧LIBs的高效回收与磁性材料的同步合成。这种方法在经济性和环保性方面均表现出色，为未来废旧电池的资源化利用和高附加值材料的生产提供了可行的解决方案。此外，通过结合材料回收与材料合成，该研究还展示了资源循环利用的潜力，为推动绿色可持续发展提供了理论支持和实践参考。

在材料来源方面，研究中使用的废旧LiCoO?正极材料由广东省汕头市的一家电池回收公司提供。这些废旧电池经过手动处理，包括放电、拆解和分类，以获得正极废料。通过XRD和化学成分分析，研究发现LiCoO?和C是正极废料的主要相，其中Li和Co的含量分别为4.97%和42.77%。SEM-EDS分析进一步确认了材料的微观结构和元素分布，为后续的浸出和共沉淀实验提供了基础数据支持。

在热力学分析方面，研究利用Eh-pH图对浸出和共沉淀过程进行了深入探讨。通过FactSage 7.3软件生成的Eh-pH图显示，在298 K和353 K条件下，Co3?和Fe2?之间不存在稳定的共存区域。然而，假设Co3?和Fe2?容易发生氧化还原反应，从而形成稳定的Co2?和Fe3?共存区域（以绿色高亮显示）。随着浸出条件的优化，Co和Fe的氧化还原平衡得到了有效调控，为后续的共沉淀过程提供了热力学支持。这一分析为理解材料的浸出行为和共沉淀机制提供了重要的理论依据。

此外，研究还探讨了不同浸出参数对Li和Co浸出效率的影响。通过系统实验，确定了最佳的H?SO?用量、浸出温度和时间等参数，从而提高了浸出过程的效率和材料的回收率。在浸出液的处理过程中，Fe?(SO?)?的生成不仅简化了后续的共沉淀步骤，还减少了对额外铁源的需求，进一步提升了整个工艺的经济性和环保性。这一创新方法不仅适用于废旧LiCoO?的回收，还可能扩展到其他类型的废旧电池材料，为未来的资源回收和材料合成提供了广阔的前景。

在磁性材料的合成过程中，研究通过焙烧温度的调控，对CoFe?O?的结构和性能进行了深入研究。通过XRD和XPS分析，研究确认了材料的晶相结构和元素分布，同时通过SEM和TEM分析，研究了材料的微观形貌和颗粒尺寸的变化。这些分析结果表明，随着焙烧温度的升高，CoFe?O?的颗粒尺寸逐渐增大，同时Co2?和Fe3?的分布也发生了变化，这些变化对材料的磁性能产生了重要影响。通过VSM分析，研究进一步验证了材料的磁性能，特别是在700°C焙烧条件下，材料表现出优异的饱和磁化强度和矫顽力，使其在磁记录和磁存储等领域具有广泛的应用价值。

这一研究不仅为废旧电池的回收提供了新的技术路径，还通过材料的再利用实现了资源的高效循环。在经济层面，该方法降低了对昂贵还原剂和铁源的依赖，减少了回收成本，提高了经济效益。在环境层面，该方法减少了有害气体的排放，降低了对环境的污染，符合绿色发展的理念。因此，该研究具有重要的现实意义和应用价值，为未来废旧电池的回收和高附加值材料的生产提供了新的思路和技术支持。

此外，研究还关注了不同实验条件对材料性能的影响。例如，H?SO?的用量、温度、时间以及液固比等因素均对Li和Co的浸出效率产生了显著影响。通过优化这些参数，研究不仅提高了浸出效率，还确保了材料的纯度和回收率。同时，焙烧温度对CoFe?O?的结构和磁性能也具有重要影响，通过调整焙烧温度，可以得到不同性能的磁性材料，满足不同应用领域的需求。这些研究结果为材料的进一步优化和应用提供了重要的数据支持。

在实际应用中，该方法可以有效整合废旧电池的回收与磁性材料的生产，实现资源的高效利用。通过回收废旧LiCoO?正极材料，不仅能够提取有价值的Li和Co，还可以利用FeSO?的氧化产物合成CoFe?O?磁性材料，从而实现资源的循环利用。这种一体化的处理方式不仅提高了资源回收的效率，还降低了生产成本，为未来的资源回收和材料合成提供了新的解决方案。

在研究过程中，还涉及了多种分析技术的应用，如XRD、XPS、SEM和TEM等，这些技术为材料的结构和性能研究提供了重要的手段。通过XRD分析，研究确定了材料的晶相结构；通过XPS分析，研究了材料的表面化学状态；通过SEM和TEM分析，研究了材料的微观形貌和颗粒尺寸的变化。这些分析结果不仅验证了材料的合成过程，还为材料的进一步优化提供了数据支持。

在磁性能评估方面，研究通过VSM分析对合成的CoFe?O?磁性材料进行了详细研究。结果表明，在700°C焙烧条件下，材料表现出优异的磁性能，包括较高的饱和磁化强度和矫顽力，使其在磁记录和磁存储等领域具有广泛的应用前景。这一研究不仅为磁性材料的合成提供了新的思路，还为废旧电池的回收提供了新的技术路径。

综上所述，该研究通过创新的工艺方法，实现了废旧LiCoO?正极材料的高效回收和CoFe?O?磁性材料的同步合成。这种方法在经济性和环保性方面均表现出色，为未来废旧电池的资源化利用和高附加值材料的生产提供了重要的技术支持。同时，该研究还展示了材料回收与材料合成相结合的潜力，为推动绿色可持续发展提供了理论依据和实践参考。