中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：利用重熔技術(shù)回收電池中鋁廢料會(huì)降低鋁的品位，而這種降級(jí)的再生鋁的最終沉降物是鑄鋁合金。隨著電動(dòng)汽車廣泛應(yīng)用，對(duì)高等級(jí)鋁的需求預(yù)計(jì)將增加，而低等級(jí)再生鋁的需求將下降。為了滿足未來對(duì)高品位鋁的需求，需要一種新的鋁回收方法。
日本東北大學(xué)Tetsuya Nagasaka教授課題組提出了一種固態(tài)電解（SSE）工藝，該工藝使用熔鹽來升級(jí)回收電池中的鋁（Al）廢料。SSE生產(chǎn)的鋁純度與鋁合金鑄造原鋁相當(dāng)，達(dá)到99.9%。電解實(shí)驗(yàn)在500℃下，使用熔融的MgCl2-NaCl-KCl-5mol% AlF3和LiCl-KCl-5 mol% AlF3為電解質(zhì)，以典型的鑄造合金AC2A和最常見的壓鑄合金AD12作為陽極。并且通過掃描電子顯微鏡（SEM）表征發(fā)現(xiàn)鋁溶解后陽極泥層呈現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)；X射線衍射儀技術(shù)（XRD）結(jié)果表明，典型的合金元素在陽極泥中以Si和Al2Cu的形式從初始鑄鋁合金中分離出來；電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜（ICP-AES）結(jié)果表明在陰極沉積的鋁的純度為99.9%，并且在陽極泥中富集了硅、銅和鐵。根據(jù)陽極泥中的鋁渣量和沉積在陰極上的鋁渣量，計(jì)算出初始鋁合金中95%的鋁均沉積在陰極上，證明了這種方法的有效性。除此之外，利用SSE進(jìn)行升級(jí)再造的鋁鑄件或壓鑄合金實(shí)現(xiàn)了較低的Mg含量，一個(gè)10 kA的電解槽連續(xù)工作近一年才在陰極中積累280 kg的MgCl2，未來一年僅需更換一次電解槽電解質(zhì)。為了進(jìn)一步了解SSE工藝性能，將其與當(dāng)前的原鋁生產(chǎn)（Hall-Héroult工藝）、提純（三層電解）和回收（重熔）的工業(yè)工藝進(jìn)行比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在這四種工藝中，唯一能夠快速升級(jí)鋁鑄件廢料的回收工藝是擬議的SSE工藝。通過參考Hall-Héroult過程的實(shí)際電解電壓，估計(jì)工業(yè)SSE的實(shí)際電解電壓約為2.22 V（1.94~2.80 V）。整個(gè)SSE過程的總能量需求，包括廢料的熔化、將其澆鑄到電極中以及在SSE過程后將沉積的鋁重熔成錠，能量消耗平均僅為65.4 MJ?kg?1。電解槽的垂直對(duì)稱設(shè)計(jì)、較低的理論電解電壓（在0 V左右）、較低的電解溫度（500?℃）和電解質(zhì)的高電導(dǎo)率都有助于降低能耗。使用這種SSE工藝，廢鋁可以升級(jí)為純度和質(zhì)量與原鋁相當(dāng)?shù)匿X，并有效防止“死金屬”的產(chǎn)生。此外，通過使用SSE工藝生產(chǎn)的鋁，與生產(chǎn)相同數(shù)量的原鋁相比，碳排放量將顯著降低。
圖1 固態(tài)電解（SSE）過程的原理示意圖
本項(xiàng)研究提出了一種使用熔鹽作為電解質(zhì)的新型固態(tài)電解（SSE）工藝來升級(jí)回收鋁廢料。即使用1噸電解質(zhì)可以電解超過24噸鋁合金，且連續(xù)運(yùn)行一年的時(shí)間后，才需要進(jìn)行維護(hù)，擁有去除雜質(zhì)的能力和低能耗等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。該方法具有取代現(xiàn)有的降低鋁品位的回收技術(shù)的潛力，改變電池廢料精煉的現(xiàn)狀，為實(shí)現(xiàn)鋁業(yè)可持續(xù)發(fā)展鋪平道路。相關(guān)研究成果發(fā)表在《Nature》。
原文鏈接：Xin Lu, Zhengyang Zhang, Takehito Hiraki et al. A solid-stateelectrolysis process for upcycling aluminium scrap. Nature, 2022, DOI: 10.1038/s41586-022-04748-4
