Current status and development direction of wastewater treatment for cathode materials of batteries

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2025-0519

Abstract

Abstract:

With the rapid growth of the global new energy vehicle industry, the demand for lithium battery market is continuously increasing. As a core component of lithium batteries, the production process of battery cathode materials generates large amount of complex wastewater, which contains high concentrations of salts, ammonia nitrogen, heavy metal ions, and organic matter. Direct discharge can cause severe environmental and ecological damage. Efficiently treating wastewater from battery cathode material production, and achieving resource recovery and zero wastewater discharge have become an urgent problem to be solved in the industry. Firstly, the main sources and characteristics of wastewater from the production of battery cathode materials were summarized. Secondly, the treatment technologies for lithium iron phosphate wastewater and ternary cathode material wastewater were discussed, and corresponding treatment technologies and resource utilization strategies were elaborated for pollutants such as phosphate, sulfate, heavy metal ions, ammonia nitrogen, organic matter, and fluoride in the wastewater. Furthermore, the selection principles and treatment effects of combined processes were summarized, and illustrated through two typical engineering cases. Finally, based on the current technological status, the development directions of wastewater treatment for battery cathode material production were discussed.

Key words: battery cathode material, characteristic pollutants, combined process, resource recovery, zero discharge of wastewater

摘要：

随着全球新能源汽车行业的迅猛发展，锂电池市场需求持续增长。电池正极材料作为锂电池的核心组成部分，其生产过程中产生了大量复杂废水，这些废水含有高浓度的盐分、氨氮、重金属离子及有机物，直接排放会对环境和生态系统造成严重危害。高效处理电池正极材料生产废水并实现资源回收和废水零排放，已成为行业亟待解决的问题。首先，综述了电池正极材料生产废水的主要来源及特征。其次，讨论了磷酸铁锂废水和三元正极材料废水的处理技术，针对废水中的磷酸盐、硫酸盐、重金属离子、氨氮、有机物和氟等污染物，分别阐述了相应的处理技术与资源化策略。进一步地，归纳了组合工艺的选取原则及其处理效果，并通过两个典型工程案例加以说明。最后，基于目前的技术现状，展望了电池正极材料生产废水处理的发展方向。

关键词: 电池正极材料, 特征污染物, 组合工艺, 资源回收, 废水零排放

CLC Number:

X703
TM911

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Figures/Tables 4

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工艺	废水来源	废水性质
铵法/钠法-碳热还原制备磷酸铁锂	母液	废水呈强酸性，含高浓度硫酸根（40~100 g/L）、磷酸根（5~10 g/L）及氨氮（5~15 g/L），还含有铁（30~60 mg/L）、锰（100~300 mg/L）、镁（1 000~2 000 mg/L）、钙（10~100 mg/L）等金属离子
铵法/钠法-碳热还原制备磷酸铁锂	漂洗水	废水呈酸性，含较高浓度硫酸根（4~15 g/L）、氨氮（0.5~2.0 g/L）和磷酸根（0.5~2.0 g/L）
共沉淀-高温烧结制备镍钴锰酸锂	萃取废水	废水呈酸性，含高浓度硫酸钠（50~100 g/L）、油和有机物（COD_Cr 500~2 500 mg/L），还含有镍、钴、锰、镁等金属离子（0.5~200 mg/L）
	合成母液	废水呈碱性，含高浓度硫酸钠（50~150 g/L）、氨氮（5~10 g/L），还含有镍、钴、锰等金属离子（0.5~200 mg/L）
	合成洗水	废水呈偏中性，含少量硫酸钠（5~20 g/L）、氨氮（1~2 g/L）以及少量镍、钴、锰等金属离子（0.5~40 mg/L）
正极材料涂布	洗水	含氟（10~100 mg/L）和有机物（COD_Cr 100~1 000 mg/L）

工艺	废水来源	废水性质
铵法/钠法-碳热还原制备磷酸铁锂	母液	废水呈强酸性，含高浓度硫酸根（40~100 g/L）、磷酸根（5~10 g/L）及氨氮（5~15 g/L），还含有铁（30~60 mg/L）、锰（100~300 mg/L）、镁（1 000~2 000 mg/L）、钙（10~100 mg/L）等金属离子
铵法/钠法-碳热还原制备磷酸铁锂	漂洗水	废水呈酸性，含较高浓度硫酸根（4~15 g/L）、氨氮（0.5~2.0 g/L）和磷酸根（0.5~2.0 g/L）
共沉淀-高温烧结制备镍钴锰酸锂	萃取废水	废水呈酸性，含高浓度硫酸钠（50~100 g/L）、油和有机物（COD_Cr 500~2 500 mg/L），还含有镍、钴、锰、镁等金属离子（0.5~200 mg/L）
	合成母液	废水呈碱性，含高浓度硫酸钠（50~150 g/L）、氨氮（5~10 g/L），还含有镍、钴、锰等金属离子（0.5~200 mg/L）
	合成洗水	废水呈偏中性，含少量硫酸钠（5~20 g/L）、氨氮（1~2 g/L）以及少量镍、钴、锰等金属离子（0.5~40 mg/L）
正极材料涂布	洗水	含氟（10~100 mg/L）和有机物（COD_Cr 100~1 000 mg/L）

废水来源	主体工艺	处理效果和经济效益	参考文献
磷酸铁生产母液和洗水	多级沉降预处理+反渗透系统+多效蒸发	获得工业纯水、工业硫酸铵产品；系统运营费用为0.9元/m³	〔49〕
	预处理+多级反渗透+MVR+树脂	回收硫酸铵和制肥料浆；废水处理总成本约16 元/t	〔50〕
	陶瓷膜+反渗透+MVR	陶瓷膜产水浊度<0.3 NTU，钙、镁质量浓度<6 mg/L，铁、锰质量浓度<0.5 mg/L；回收硫酸铵；出水满足回用水标准；吨水总运行成本2.51元	〔27〕
	氨水沉淀除杂+多级膜浓缩+MVR+冷冻结晶分盐	回收硫酸铵和磷酸一铵产品，吨水综合收益9.8元；产水回用	〔48〕
磷酸铁正极材料炉窑废水和尾气喷淋废水	混凝沉淀+单效蒸发+刮板滚筒干燥+AO+MBR	出水达到间接排放标准；吨水处理费为912.26元	〔51〕
三元前驱体生产萃取系统废水	气浮+分步沉淀+臭氧催化氧化+电催化氧化+MVR	获得纯度≥95%的无水硫酸钠产品	〔52〕
三元前驱体生产萃取系统废水	气浮+活性炭吸附+化学沉淀+蒸发结晶	回收硫酸钠	〔17〕
三元前驱体母液和洗水	共沉淀诱导结晶+电容去离子+离子交换	出水镍和钴残留量分别为0.041 2 mg/L和0.027 9 mg/L；可回收硫酸钠	〔53〕
三元前驱体母液和洗水	汽提脱氨+沉淀除重金属+蒸发脱盐	回收氨水、硫酸钠；蒸馏水经膜处理后可回用	〔54〕

废水来源	主体工艺	处理效果和经济效益	参考文献
磷酸铁生产母液和洗水	多级沉降预处理+反渗透系统+多效蒸发	获得工业纯水、工业硫酸铵产品；系统运营费用为0.9元/m³	〔49〕
	预处理+多级反渗透+MVR+树脂	回收硫酸铵和制肥料浆；废水处理总成本约16 元/t	〔50〕
	陶瓷膜+反渗透+MVR	陶瓷膜产水浊度<0.3 NTU，钙、镁质量浓度<6 mg/L，铁、锰质量浓度<0.5 mg/L；回收硫酸铵；出水满足回用水标准；吨水总运行成本2.51元	〔27〕
	氨水沉淀除杂+多级膜浓缩+MVR+冷冻结晶分盐	回收硫酸铵和磷酸一铵产品，吨水综合收益9.8元；产水回用	〔48〕
磷酸铁正极材料炉窑废水和尾气喷淋废水	混凝沉淀+单效蒸发+刮板滚筒干燥+AO+MBR	出水达到间接排放标准；吨水处理费为912.26元	〔51〕
三元前驱体生产萃取系统废水	气浮+分步沉淀+臭氧催化氧化+电催化氧化+MVR	获得纯度≥95%的无水硫酸钠产品	〔52〕
三元前驱体生产萃取系统废水	气浮+活性炭吸附+化学沉淀+蒸发结晶	回收硫酸钠	〔17〕
三元前驱体母液和洗水	共沉淀诱导结晶+电容去离子+离子交换	出水镍和钴残留量分别为0.041 2 mg/L和0.027 9 mg/L；可回收硫酸钠	〔53〕
三元前驱体母液和洗水	汽提脱氨+沉淀除重金属+蒸发脱盐	回收氨水、硫酸钠；蒸馏水经膜处理后可回用	〔54〕

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