改性富锰渣选择性深度提锰制备锂锰氧化物(LiMn2O4)电池材料的创新工艺研究

针对富锰渣中硅铝杂质制约锰资源高效提取的难题，安徽工业大学团队创新性提出CaO高温改性-稀酸选择性浸出联用技术，实现锰浸出率达96.10%且杂质溶出率<5%，成功制备高纯MnO2并合成高性能锂锰氧化物(LiMn2O4)正极材料，为低品位锰矿资源高值化利用提供新思路。

　　

在全球新能源材料需求激增的背景下，锰基材料作为锂离子电池关键组分面临资源短缺困境——我国虽锰矿储量全球第六，但富矿仅占6%，而传统富锰渣（含锰35-55%）因硅铝含量高、矿物相复杂，酸浸时易形成胶体导致提取效率低下。这一矛盾严重制约着锰资源供应链安全。安徽工业大学的研究团队另辟蹊径，通过矿物相重组技术将"工业废料"转化为"城市矿产"，其成果发表于《Separation and Purification Technology》。

研究采用三大关键技术：首先通过热力学模拟指导CaO高温改性（1400℃），将锰橄榄石重构为易浸出的MnO；继而建立1 mol/L H₂SO₄浸出体系，结合动力学分析揭示扩散-化学反应混合控制机制；最后通过氧化还原一步法制备电池级MnO₂，并煅烧合成LiMn₂O₄正极材料。

<材料与试剂>
实验选用广西某冶金企业富锰渣（Mn含量41.37%），XRD显示其主要物相为锰橄榄石(Mn₂SiO₄)和锰铝尖晶石(MnAl₂O₄)，经CaO改性后物相转变为MnO和钙铝黄长石(Ca₂Al₂SiO₇)。

<煅烧热力学分析>
热力学计算证实，添加30% CaO可使锰橄榄石分解活化能从198.7 kJ/mol降至156.4 kJ/mol。原位XRD显示，1400℃时Mn₂SiO₄完全转化为MnO，而硅铝杂质形成稳定的Ca₂Al₂SiO₇相，该重构使锰浸出选择性提升19倍。

<浸出动力学研究>
阿伦尼乌斯方程拟合显示浸出表观活化能为24.85 kJ/mol，收缩核模型表明反应前期受界面化学反应控制（R²=0.992），后期转为扩散控制。优化条件下锰浸出率达96.10%，而Fe、Al浸出率分别仅4.83%和3.71%。

<材料制备与表征>
浸出液经KMnO₄氧化制得ε-MnO₂（纯度99.2%），其比表面积达187 m²/g。与Li₂CO₃以1:0.55摩尔比750℃煅烧12小时，获得尖晶石型LiMn₂O₄，0.5C倍率下首周放电比容量达118.7 mAh/g，100次循环后容量保持率91.3%。

该研究开创了"矿物改性-选择性提取-材料合成"的全链条技术路线，不仅使富锰渣锰回收率较传统工艺提升40%以上，更通过相重构策略解决了硅铝胶体难题。所制备的LiMn₂O₄正极材料兼具成本优势（预估降低原料成本62%）与良好电化学性能，为低品位锰矿资源化提供了教科书级的范例。经济评估显示，该工艺每吨富锰渣可创造附加值约1.2万元，具有显著的工业推广价值。