超声强化浸出过程中声谱与NMC正极颗粒特性的关联机制研究

推荐：本研究针对电池回收中传统酸浸工艺效率低、污染大的问题，创新性地采用超声空化技术强化NMC（锂镍锰钴氧化物）正极材料的有机酸浸出过程。通过声谱分析与颗粒表征，首次揭示了浸出反应释放的氧气导致空化气泡"缓冲效应"的机制，发现颗粒总表面积与空化活性呈正相关，为设计高效回收反应器提供了关键理论依据。

　　

随着全球锂离子电池报废量激增，传统湿法冶金回收工艺面临严峻挑战：强无机酸的使用不仅产生SO_x/NO_x等有害气体，其长达数小时的浸出周期也制约着回收经济性。虽然有机酸更环保，但浸出效率低下成为瓶颈。在此背景下，超声空化（acoustic cavitation）技术因其能通过微射流和湍流强化传质而备受关注，但空化场与颗粒特性的动态相互作用机制始终是未解之谜。

沙特阿卜杜拉国王科技大学（King Abdullah University of Science and Technology, KAUST）清洁能源研究平台的Chiara Canciani团队在《Ultrasonics Sonochemistry》发表的研究，首次建立了声谱特征与NMC颗粒演变的定量关联。研究人员采用24 kHz超声探头激发空化，通过水听器实时采集声谱，结合扫描电镜（SEM）和BET比表面积分析，动态追踪了10分钟浸出过程中颗粒从10 μm到1.5 μm的演变。

关键技术包括：1）多系统对照实验设计（含颗粒/无颗粒、水/浸出液体系）；2）基于快速傅里叶变换（FFT）的声谱宽带噪声分析；3）ImageJ软件量化SEM图像中的颗粒尺寸分布；4）ICP-OES监测液相金属离子浓度。

【声谱特征揭示空化动态】

研究发现浸出系统在2-7分钟出现声谱强度骤降3个数量级的"静默窗口"，而单纯水-颗粒体系无此现象。通过温度曲线排除热效应干扰后，证实该现象源于浸出反应6LiNi_0.33Mn_0.33Co_0.33O₂+18H⁺→6Li⁺+2Ni²⁺+2Mn²⁺+2Co²⁺+3O₂释放的过量氧气，这些气体进入空化泡产生"缓冲效应"，导致声波探测受阻。

【颗粒特性与空化活性关联】

BET分析显示颗粒总表面积在3分钟达到峰值（对应最大空化噪声强度），表明粗糙表面提供更多异相成核位点。SEM图像证实此阶段颗粒呈现多孔结构，直径分布从初始10 μm降至1.5 μm时，比表面积增加约85%。将不同浸出阶段的颗粒重新悬浮于水中测试，验证了表面积与空化活性的正相关性。

该研究不仅阐明了超声强化浸出的双重机制——空化微射流促进酸渗透与反应产气增强空化活性，更创新性地提出通过声谱监测实现过程控制。相较于传统生物浸出或微波辅助工艺，该方法在10分钟内完成85%金属提取，为绿色回收工艺的工业化提供了关键理论支撑。研究揭示的"颗粒-空化场"相互作用规律，对制药、冶金等涉及固液提取的领域具有普适性指导价值。