摘 要

本文基于现有的废弃三元锂电池材料回收生产线，借助仿真软件comsol及三维建模软件creo对废弃三元锂电池正极材料回收过程中的酸溶过程进行三维数值模拟。先在H₂SO₄与H₂O₂的酸溶实验体系下，用comsol的零维仿真找到当前酸浸反应反应速率常数k^f以及正极材料中镍钴锰之比，之后将用creo建好的三维模型导入comsol建立三维仿真，保证在正极材料反应基本完全的前提下，对酸溶过程进行优化设计。在根据实际生产确定固液比，反应釜进料入口速率及搅拌速率后，探究硫酸浓度和过氧化氢浓度对酸浸反应的影响。研究结果表明在硫酸浓度为6.5mol/L，过氧化氢质量分数为30%，固液比为20%，硫酸与正极材料进口速率0.5m/s，过氧化氢进口速率0.5m/s，搅拌速率5rad/s时正极材料反应基本完全。此时进口流量都为0.35L/s，出口流量为0.7L/s，生成物硫酸镍，硫酸钴和硫酸锰的浓度分别是402mol/m³，84.9mol/m³和79.3mol/m³。

关键词：三元锂电池；酸溶过程；三维仿真；优化设计

Abstract

In this paper, based on the existing waste ternary lithium battery material recycling production line, with the help of the simulation software comsol and the three-dimensional modeling software creo, the three-dimensional numerical simulation of the acid dissolution process in the waste ternary lithium battery cathode material recycling process is carried out. First, under the acid dissolution experiment system of H₂SO₄ and H₂O₂, use comsol's zero-dimensional simulation to find the current acid leaching reaction rate constant k^f and the ratio of nickel, cobalt and manganese in the positive electrode material. The simulation ensures that the acid dissolution process is optimally designed under the premise that the cathode material reaction is basically complete. After determining the solid-liquid ratio, the feed inlet rate of the reactor and the stirring rate according to actual production, explore the influence of sulfuric acid concentration and hydrogen peroxide concentration on the acid leaching reaction. The results of the study showed that at a sulfuric acid concentration of 6.5mol/L, a hydrogen peroxide mass fraction of 30%, a solid-liquid ratio of 20%, an inlet rate of sulfuric acid to the positive electrode material of 0.5m/s, a hydrogen peroxide inlet rate of 0.5m/s, and stirring at a rate of 5 rad/s, the reaction of the cathode material is almost complete. At this time, the inlet flow rate is 0.35L/s and the outlet flow rate is 0.7L/s. The concentrations of the produced nickel sulfate, cobalt sulfate and manganese sulfate are 402mol/m³, 84.9mol/m³ and 79.3mol/m³, respectively.

Key Words：Ternary lithium battery; Acid dissolution process; Three-dimensional simulation; Optimized design

目 录

摘 要 I

Abstract...........................................................................................................................................II

第1章 绪论....................................................................................................................................1

1.1 锂电池研究的背景、目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 预处理步骤 2

1.2.2 二次处理步骤 2

1.2.2.1 碱液处理法.................................................................................................. 3

1.2.2.2 有机溶剂溶解法............................................. ............................................ 3

1.2.2.3 高温分解法.................................................................................................. 3

1.2.3 浸出步骤 3

1.2.4 分离提纯步骤 4

1.2.5 正极材料再合成 5

1.3 课题研究及预期目标 5

第2章 实验部分 7

2.1 实验主要仪器与原料 7

2.2 实验主要步骤 8

2.3 实验结果 8

2.4 实验结果分析 9

2.5 comsol的零维建模及k^f的确定 11

第3章 反应釜的三维建模 14

3.1 有厚度的零件建模 14

3.1.1 反应釜罐体 14

3.1.2 反应釜罐盖 16

3.1.3 部分支撑架 17

3.1.4 搅拌轴 19

3.1.5 搅拌桨 19

3.1.6 反应釜实体装配 20

3.2 导入comsol的无厚度反应釜建模 20

第4章 酸浸反应三维模拟及优化设计 22

4.1 comsol中的三维建模 22

4.2 边界条件 22

4.3 网格划分......................................................................................................................... 23

4.4 参数优化及分析............................................................................................................. 24

4.4.1 结合实际生产的参数设定.................................................................................. 24

4.4.2 硫酸与过氧化氢浓度的确定.............................................................................. 25

第5章 结论与展望..................................................................................................................... 29

5.1 结论................................................................................................................................. 29

5.2 不足与展望.......................................................................................... .......................... 29

参考文献 30

致 谢 32

第1章 绪论

1.1 锂电池研究的背景、目的及意义

从人类第一次工业革命开始，汽车火车飞机轮船等交通工具应运而生并以一种难以想象的速度飞快发展。这些快速的交通工具给人类带来了极大的便利，人类再也不需要像以前一样单纯的依靠双腿行走，留下离别相思之苦。在一天可辗转多地，领略不同地方风土人情的同时人们发现了一个不得不重视的问题：传统的交通工具等对石油类能源强大的依赖性再加上几十年的不间断利用造成了环境污染破坏以及石油能源短缺问题。

环境污染，顾名思义人类的生存环境正处于越来越窘迫的状况。传统交通工具中使用石油类燃料所产生的有害气体如CO、NO_x、CO₂、SO_x、PM2.5和臭气等是酸雨，雾霾，光化学烟雾以及温室效应的罪魁祸首。酸雨让大地腐蚀生灵涂炭。雾霾吸入人体极大地增加了呼吸系统和心血管疾病的发病率。光化学烟雾不仅会危害人体还会危害自然，破坏生态系统。温室效应导致臭氧层破坏，北极冰川融化。人类赖以生存的地球正以一种可见的速度变得脆弱不堪，而人类将会因此陷入万劫不复的境地。再加上石油资源具有在短期内不可再生的特性，这就导致科学家们急于寻求一种新的能源来取代石油，电动汽车应运而生。电动汽车具有环境低污染，节能环保的特点，既可以解决石油能源短缺问题又可以缓解环境污染问题，在世界各地得到了推广和应用。

电动汽车一般可分为三种类型：纯电动汽车、混合动力汽车以及燃料电池汽车。燃料电池汽车虽然具有续航里程长，加氢快的特点，但是由于氢气的制取利用技术尚未完善，加氢站的建设还存在问题导致它的普及还需要很长一段时间，所以纯电动汽车和混合动力汽车在市场上现阶段有很大的占比。电动汽车需要的是动力电池，该动力电池需要具有高功率密度，循环寿命长的特点，所以现在的电动汽车动力电池主要有铅蓄电池，锂离子电池以及镍氢电池这三种。而其中的锂离子电池具有比能量高，循环性能好，自放电量小，无记忆效应等特点，这就导致锂离子电池汽车在未来发展中的市场最好 ^[1]。