利用硫酸铝沉淀法高效去除锂离子电池回收NMC黑粉浸出液中的氟化物及其对战略金属回收的影响

本推荐研究系统探讨了在锂离子电池回收过程中，采用硫酸铝(Al2(SO4)3)沉淀法从NMC黑粉浸出液(Pregnant Leach Solution, PLS)中去除氟化物的工艺。研究通过优化pH值、铝氟摩尔比等参数，实现在去除97%氟化物的同时将主要有价金属（Li、Ni、Co、Mn）的共沉淀损失控制在10%以下，为电池回收过程中的氟污染控制提供了关键技术方案。

　　

Highlight

本研究通过硫酸铝沉淀法实现了从真实NMC黑粉浸出液中高效去除氟化物（Fluoride），在pH 5、Al₂(SO₄)₃:F摩尔比1.75的最佳条件下，氟去除率超过97%，而有价金属（Ni, Co, Mn, Li）的共沉淀损失低于10%。该方法在环境温度下操作，试剂用量低，且共沉淀的金属可通过温和硫酸洗涤回收，为电池回收工业提供了可扩展的低能耗除氟方案。

Materials

实验所用化学品包括：十八水合硫酸铝（Al₂(SO₄)₃·18H₂O，97 wt%，Sigma-Aldrich）、氢氧化钠（NaOH，50 wt%，Fisher）、硫酸（H₂SO₄，98 wt%，Fisher）、盐酸（HCl，37 wt%，Caledon）、硝酸（HNO₃，70 wt%，Caledon）以及Milli-Q超纯水系统制备的去离子水（电导率0.055 μS/cm）。NMC黑粉由Hatch公司提供，该物料通过破碎整个电池包获得，包含阴极、阳极及部分隔膜组分。

Black mass and PLS composition

通过王水消解结合ICP-OES分析确定黑粉样品的化学组成（wt%）：钴(Co) 7.18±0.04、锂(Li) 3.64±0.03、锰(Mn) 7.16±0.23、镍(Ni) 13.86±0.65、铝(Al) 2.07±0.12、铜(Cu) 0.90±0.07、铁(Fe) 0.02±0.005。该组成与镍锰钴(NMC)阴极材料的预期元素分布一致，其中铝和铜的存在源于电池集的流体和阳极箔材。浸出液制备采用2 M H₂SO₄与5 vol% H₂O₂在80°C下处理2小时，所得PLS的主要金属浓度（mg/L）为：Ni (14500)、Co (7500)、Mn (7500)、Li (3800)，氟化物浓度达1420 mg/L。

Conclusion

本研究建立了一种基于硫酸铝沉淀法的稳健且可扩展的氟化物去除工艺，适用于NMC黑粉湿法冶金处理产生的浸出液(Pregnant Leach Solution, PLS)。通过对pH、Al₂(SO₄)₃:F摩尔比、温度和反应时间等关键参数的系统研究，确定了最佳操作条件：pH 5、摩尔比1.75、温度25°C、反应时间0.5-1小时。在此条件下，氟化物去除率超过97%，而镍、钴、锰和锂的共沉淀损失均低于10%。实验数据与经验模型高度吻合，但与OLI热力学模型存在差异，突显了实际复杂体系中表面效应和混合现象对传统热力学预测的挑战。该工艺不仅显著降低下游腐蚀和萃取剂降解风险，还通过温和洗涤实现共沉淀金属的回收，为锂离子电池回收流程提供了高效节能的除氟解决方案。