新型固态电解铝工艺实现废旧电池高价值回收利用

利用重熔技术回收电池中铝废料会降低铝的品位，而这种降级的再生铝的最终沉降物是铸铝合金。随着电动汽车广泛应用，对高等级铝的需求预计将增加，而低等级再生铝的需求将下降。为了满足未来对高品位铝的需求，需要一种新的铝回收方法。

日本东北大学Tetsuya Nagasaka教授课题组提出了一种固态电解(SSE)工艺，该工艺使用熔盐来升级回收电池中的铝(Al)废料。SSE生产的铝纯度与铝合金铸造原铝相当，达到99.9%。电解实验在500℃下，使用熔融的MgCl2-NaCl-KCl-5mol% AlF3和LiCl-KCl-5 mol% AlF3为电解质，以典型的铸造合金AC2A和最常见的压铸合金AD12作为阳极。并且通过扫描电子显微镜(SEM)表征发现铝溶解后阳极泥层呈现多孔结构;X射线衍射仪技术(XRD)结果表明，典型的合金元素在阳极泥中以Si和Al2Cu的形式从初始铸铝合金中分离出来;电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)结果表明在阴极沉积的铝的纯度为99.9%，并且在阳极泥中富集了硅、铜和铁。根据阳极泥中的铝渣量和沉积在阴极上的铝渣量，计算出初始铝合金中95%的铝均沉积在阴极上，证明了这种方法的有效性。除此之外，利用SSE进行升级再造的铝铸件或压铸合金实现了较低的Mg含量，一个10 kA的电解槽连续工作近一年才在阴极中积累280 kg的MgCl2，未来一年仅需更换一次电解槽电解质。为了进一步了解SSE工艺性能，将其与当前的原铝生产(Hall-Héroult工艺)、提纯(三层电解)和回收(重熔)的工业工艺进行比较。结果发现，在这四种工艺中，唯一能够快速升级铝铸件废料的回收工艺是拟议的SSE工艺。通过参考Hall-Héroult过程的实际电解电压，估计工业SSE的实际电解电压约为2.22 V(1.94~2.80 V)。整个SSE过程的总能量需求，包括废料的熔化、将其浇铸到电极中以及在SSE过程后将沉积的铝重熔成锭，能量消耗平均仅为65.4 MJ∙kg−1。电解槽的垂直对称设计、较低的理论电解电压(在0 V左右)、较低的电解温度(500 ℃)和电解质的高电导率都有助于降低能耗。使用这种SSE工艺，废铝可以升级为纯度和质量与原铝相当的铝，并有效防止“死金属”的产生。此外，通过使用SSE工艺生产的铝，与生产相同数量的原铝相比，碳排放量将显著降低。

图1 固态电解(SSE)过程的原理示意图

本项研究提出了一种使用熔盐作为电解质的新型固态电解(SSE)工艺来升级回收铝废料。即使用1吨电解质可以电解超过24吨铝合金，且连续运行一年的时间后，才需要进行维护，拥有去除杂质的能力和低能耗等技术优势。该方法具有取代现有的降低铝品位的回收技术的潜力，改变电池废料精炼的现状，为实现铝业可持续发展铺平道路。相关研究成果发表在《Nature》。

文章作者：CASEnergy