Разработка технологии извлечения лития из литий-ионных аккумуляторов с использованием кислород-содержащих экстрагентов

Литий – важный металл для нашей цивилизации. Он является ключевым компонентом литий-ионных аккумуляторов, используется для производства стекла и керамики, в ядерной промышленности, в металлургии, фармацевтике для производства психотропных лекарственных препаратов. Сегодня основной рынок литий-ионных аккумуляторов приходится на ноутбуки и сотовые телефоны. Использование этого вида аккумуляторов набирает популярность и в более масштабном производстве - в электромобилях, энергосистемах и солнечных батареях. Рынок электромобилей также растёт, во многих крупных городах активно развивается общественный электротранспорт. В Москве, в частности, работают электробусы, а также прокат электросамокатов. При этом размер используемых в электромобилях аккумуляторов в разы больше по сравнению с сотовыми телефонами и ноутбуками. По оценкам к 2050 г. запасы Li будут исчерпаны [1]. В 2019 г. по данным геологической службы США подтверждённые запасы Li составляли 17 млн т. При этом по подсчётам организации OICA для замены всех машин в мире на электромобили потребуется 81 млн т Li. И это без учёта расходов Li на производство смартфонов, ноутбуков, солнечных батарей и пр. Также стоит добавить, что Li необходим для создания атомных реакторов 5-го поколения, и, соответственно, развития атомной энергетики. Несмотря на то, что литий включен в список критических сырьевых материалов Европейской комиссией в 2020 г., большая часть научных разработок по переработке батарей посвящены более дорогим металлам – кобальту и никелю. Это связано с тем, что рафинат после выделения кобальта и никеля содержит низкие концентрации лития, к тому же загрязненного Co, Ni, а также Al, Fe, Mn, Cu и др. Очистка рафината от примесей приводит к увеличению стадий, потерям лития и ещё большим снижениям его концентрации в конечном растворе. Таким образом, выделение лития после извлечения более ценных металлов оказывается экономически невыгодно. На сегодняшний день существует несколько крупный международных компаний, которые занимаются переработкой литий-ионных аккумуляторов. OnTo (США), Umicore (Бельгия), AEA (Великборитания), Batrec industrie AG (Швейцария) - в основном ориентированы на извлечение таких металлов как никель, кобальт, медь и марганец, при этом литий «теряется» вместе с отходами. Существующий в России завод по утилизации батареек и аккумуляторов «Мегаполисресурс» также не выделяет литий в виде готового продукта. Retrieve (ранее Toxco, Канада), Sony (Япония), Accurec gmbH (Германия), Recupyl (Франция), Li-cycle Technology (Канада) выделяют LiCoO2, Li2CO3 или Li, однако в предлагаемых технологиях извлечение лития неполное [2]. Кроме того, на сегодняшний день не существуют экстракционной технологии выделения лития. При этом экстракционные методы отлично подходят для селективного выделения металлов с высокой частотой из гетерогенных растворов. Таким образом, целью НИОКР является разработка экстракционного способа селективного извлечения лития из отработанных литий-ионных аккумуляторов с использованием экстракционной системы на основе кислород-содержащих экстрагентов, в том числе три-н-бутил-фосфата и алифатических спиртов. 1. Исследована экстракционная способность двух экстрагентов – трибутилфосфата и алифатических спиртов – по отношению к литию на модельных растворах. Экстракция лития исследована из модельного раствора, имитирующего раствор отработанных литий-ионных аккумуляторов, с помощью различных кислород-содержащих экстрагентов: трибутилфосфат, октанол, бутанол, комплекс трибутилфосфата с хлоридом железа (III) и три-н-октилфосфин оксид. Получены коэффициенты распределения металлов, содержащих содержащихся в модельном растворе. 2. Разработан критерий. выбора экстракционной системы для селективного извлечения лития. Показано, что из всех рассмотренных экстрагентов только комплекс 2ТБФ*FeCl4- извлекает литий в органическую фазу (D=2,13). В результате для дальнейшего исследования выбрана экстракционная система комплекс трибутилфосфата с хлоридом железа (III) в керосине. 3. Исследованы условия экстракции для достижения наибольшей эффективности и селективности экстракции на модельных растворах. Изучено влияние pH модельного раствора аккумуляторов на параметры экстракции. Показано, что раствор после вскрытия аккумуляторов необходимо доводить до pH = 2 для наиболее полной экстракции лития. 4. Исследована оптимальная концентрация экстрагента на модельных растворах. Показано, что при объёмном содержании трибутилфосфата ниже 70% наблюдается фазовая неустойчивость и образование третьей фазы.Для дальнейших исследований выбрана объемная концентрация ТБФ 80%, при которой достигались наиболее высокие значения коэффициентов распределения (D>2,1). 5. Исследована оптимальная исходная концентрация лития на модельных растворах. Показано, что при исходном содержании лития 2-4 г/л наблюдается наиболее полное извлечение лития из водного раствора в органическую фазу. 6. Разработана экстракционная система извлечения лития из модельных растворов, имитирующих раствор отработанных литий-ионных аккумуляторов. После оптимизации условий экстракции лития из модельного раствора полнота извлечения лития составляла 67%, помимо лития извлекались также железо и алюминий. Показано, что при промывке органической фазы раствором 1М LiCl + 2M AlCl3 мешающие компоненты переходят в водную фазу и чистота лития достигает 99%. 1. Xu C., Dai Q., Gaines L. et al. Future material demand for automotive lithium-based batteries // Comm. Materials. 2020. DOI: 10.1038/s43246-020-00095-x 2. Fujita T., Chen H., Wang K. et al Reduction, reuse and recycle of spent Li-ion batteries for automobiles: A review // Int. J. Miner. Metall. Mater. 2021. DOI: 10.1007/s12613-020-2127-8