电车电池主要包括铅酸电池、锂离子电池等,以下是它们分解过程所涉及的原理:
铅酸电池
- 放电原理(逆向看作分解的起始步骤)
- 铅酸电池的正极是二氧化铅(PbO?),负极是海绵状铅(Pb),电解液是硫酸(H?SO?)溶液。在放电过程中,负极的铅原子(Pb)失去电子变成铅离子(Pb2?),电子通过外电路到达正极。在正极,二氧化铅(PbO?)、氢离子(H?)和电子发生反应生成硫酸铅(PbSO?)和水(H?O)。从化学方程式看,负极:Pb+SO?2?-2e?=PbSO?;正极:PbO?+4H?+SO?2?+2e?=PbSO?+2H?O。总反应式为Pb+PbO?+2H?SO?=2PbSO?+2H?O。
- 当对铅酸电池进行分解处理时,这个过程在一定程度上逆向进行。例如,在回收过程中,首先要将电池破碎,使电池中的各种成分,如铅、二氧化铅、硫酸铅等暴露出来。然后利用化学方法,如加入特定的试剂使硫酸铅等物质发生反应,重新生成铅和其他有用的化合物。
- 回收中的分解原理
- 火法冶金:在高温下,铅化合物被还原成金属铅。例如,将废旧铅酸电池中的铅膏(主要含有硫酸铅)与焦炭等还原剂一起在熔炼炉中加热。在高温条件下(通常在1000-1200°C左右),硫酸铅被还原,化学方程式为PbSO?+2C=Pb+2CO?↑+SO?↑。不过这种方法会产生二氧化硫等有害气体,需要进行尾气处理。
- 湿法冶金:利用化学溶剂将铅从电池废料中溶解出来,再通过电解等方法将铅沉积出来。例如,用合适的酸性或碱性溶液溶解铅化合物,形成含铅的溶液,然后通过电解,在阴极上使铅离子得到电子还原成金属铅,反应式为Pb2?+2e?=Pb。
锂离子电池
- 放电原理(逆向看作分解的起始步骤)
- 锂离子电池主要由正极、负极、隔膜和电解液组成。正极材料通常是含锂的过渡金属氧化物(如钴酸锂LiCoO?、磷酸铁锂LiFePO?等),负极一般是石墨。在放电过程中,锂离子(Li?)从负极脱嵌,通过电解液迁移到正极,嵌入正极材料晶格中。以钴酸锂为例,正极反应为LiCoO?=Li?-xCoO?+xLi?+xe?,负极反应为xLi?+xe?+6C=LixC?,总反应为LiCoO?+6C=Li?-xCoO?+LixC?。
- 分解过程从电池失效或者回收角度看,首先要破坏电池的封装结构,使内部的正负极材料、电解液等暴露。
- 回收中的分解原理
- 物理法分解:包括拆解、破碎、筛分等步骤。首先将废旧锂离子电池进行机械拆解,去除外壳等部件,然后通过破碎设备将电池芯破碎成小颗粒,利用筛分等方法分离出不同粒径的材料,例如将铜箔、铝箔与正负极活性材料初步分离。
- 化学法分解
- 酸浸法:使用酸溶液(如硫酸、盐酸等)溶解电池中的金属成分。例如,对于含钴酸锂的正极材料,用硫酸和过氧化氢混合溶液可以使锂和钴等金属离子溶出,反应式为2LiCoO?+3H?SO?+H?O?=Li?SO?+2CoSO?+4H?O+O?↑。之后可以通过沉淀、萃取、电解等方法分别回收锂、钴等金属。
- 碱浸法:在碱性条件下溶解铝等成分,实现部分材料的分离。因为锂离子电池的负极集流体是铜箔,正极集流体是铝箔,在碱性溶液中铝可以发生反应溶解,如2Al+2NaOH+2H?O=2NaAlO?+3H?↑,这样可以将铝箔从其他材料中分离出来,方便后续进一步回收处理其他成分。