基于闭环萃取-反萃工艺的废旧LiFePO4正极材料FeCl3浸出液中锂铁分离新策略

为解决废旧锂离子电池（LIBs）中镍钴分离难题，日本爱媛大学团队开发了基于亚氨基二乙酸型螯合树脂（MC-700）的创新分离技术。通过调控柠檬酸与氯化铵复合配体体系在碱性条件（pH≥10）下的协同作用，实现了镍（Ni）以氨配位复合物形式选择性吸附，而钴（Co）保持稳定柠檬酸复合物形态的高效分离。该技术采用5%盐酸（0.6 M）洗脱，可循环使用树脂，为低成本回收废锂电池中战略金属提供了新方案。

　　

随着全球碳中和进程加速，电动汽车用锂离子电池（LIBs）需求激增，随之产生的废旧锂电池（Spent-LIBs）处理成为重大环境挑战。这些"黑色沙子"（Black sand）富含锂（Li）、镍（Ni）、钴（Co）等战略金属，传统溶剂萃取法存在分离效率低、成本高等瓶颈。尤其镍钴因化学性质相似，常规螯合树脂难以实现选择性吸附，成为资源回收的"卡脖子"难题。

日本爱媛大学Hiromichi Aono团队在《Separation and Purification Technology》发表的研究，开创性地将柠檬酸（Cit）与氯化铵（NH₄Cl）复合配体体系引入亚氨基二乙酸型螯合树脂（MC-700）分离系统。通过紫外-可见光谱（UV-Vis）揭示：在pH≥10时，Ni从柠檬酸复合物转化为氨配位复合物（[Ni(NH₃)_n]²⁺），而Co仍保持稳定的柠檬酸复合物结构。这种配体场差异使Ni能被树脂特异性吸附，实现Co的穿透率高达94.7%，Ni吸附率超97.7%的突破性分离效果。

关键技术包括：（1）采用批次震荡法和柱层析实验比较12种螯合树脂性能；（2）通过UV-Vis光谱（200-900 nm）解析金属配位结构变化；（3）优化配体比例（Cit/Ni=8，NH₄Cl/Ni=80）使树脂处理量提升至230倍床体积；（4）5%盐酸（0.6 M）洗脱实现Ni/Co回收率分别达84%和70%。

【3.1 螯合树脂类型影响】对比12种树脂发现，亚氨基二乙酸型（MC-700/760/770）和多胺型（MC-850）在pH=10时表现最佳，其中MC-700对Ni的吸附选择性最强。

【3.2 溶液条件优化】柱实验显示，双配体体系（0.014 M Cit + 0.14 M NH₄Cl）在pH=10.5时，Co平均穿透率94.4%，而Ni仅5.7%。单一柠檬酸体系则导致Ni穿透率升至20-60%。

【3.3 pH效应】震荡实验证实，pH≥9.5时双配体体系的Ni非吸附率骤降至5%以下，而Co保持80%高穿透率，印证了碱性条件对配体转换的关键作用。

【3.4 UV-Vis谱学证据】Ni在双配体体系中pH≥9时出现618 nm蓝移（对比单配体631 nm），证实氨配位形成；Co则保持510-520 nm特征峰，表明柠檬酸复合物稳定性。

【3.5 配体浓度调控】将Cit/Ni比从80降至8，Ni吸附率从94.3%提升至97.7%，因减少Cit竞争促进了NH₃配位优势。

【3.6 洗脱性能】5%盐酸（0.6 M）洗脱峰值浓度达16130 ppm（Ni）和881 ppm（Co），5次循环后树脂性能无衰减。

该研究不仅破解了镍钴分离难题，更建立了"配体场调控-选择性吸附"的普适性分离框架。通过精准控制Cit/NH₄Cl比例和pH值，实现了：（1）230倍树脂体积的处理能力；（2）84%的Ni回收纯度；（3）低于0.6 M的盐酸消耗。这种低成本、可循环的闭环工艺，为废旧锂电池中多金属协同回收提供了新范式，有望推动全球战略金属资源的可持续利用。技术延伸应用至锰（Mn）、铜（Cu）等金属分离，展现出广阔的工业应用前景。