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2025年3月11日，清華大學李金惠教授團隊提出了一種基于短路徑電化學浸出的廢舊鋰離子電池回收新方法，通過利用廢棄NCM電極與鋁箔自組裝形成的原電池系統，顯著提高了金屬回收效率（鋰、鎳、鈷和錳的回收率分別達到99.01%、91.62%、95.15%和94.19%），同時降低了能耗和碳排放（分別降低11.36%-21.10%和5.08%-23.18%），并大幅提升了經濟效益（每千克電池回收利潤提高21.37%-49.24%）。該研究不僅為廢舊鋰離子電池的高效、綠色回收提供了創新技術路徑，還為城市采礦和循環經濟領域的發展提供了重要參考。相關研究成果以“Galvanic leaching recycling of spent lithium-ion batteries via low entropy-increasing strategy”為題發表在期Nature Communications上。
研究背景
隨著全球能源轉型的加速，鋰離子電池（LIBs）在推動清潔能源發展和實現可持續目標中發揮著關鍵作用。然而，其大規模生產已消耗了全球70%的鈷資源，而電池廢棄物的快速增長也對環境和資源管理提出了嚴峻挑戰。傳統鋰離子電池回收工藝主要依賴于破碎、篩分和化學浸出等高能耗、高熵增的步驟，不僅降低了回收效率，還增加了能源消耗和環境污染。近年來，盡管傳統冶金回收工藝取得了一定進展，但其熱力學效率和經濟-環境效益的提升仍面臨瓶頸。因此，開發一種低熵增、高效率的鋰離子電池回收新策略，對于優化資源回收、降低能源消耗以及減輕環境負擔具有重要意義。本研究基于最小熵產生原理，提出了一種新型的“電化學浸出”方法，旨在通過系統優化濕法冶金回收工藝，實現鋰離子電池金屬的高效、快速回收，為可持續發展提供新的解決方案。
論文概要
本研究提出了一種基于“電化學浸出”的鋰離子電池回收新策略，旨在解決傳統回收工藝中高熵增、高能耗和低效率的問題。通過利用廢棄鋰離子電池中的鋁箔作為原電池系統的一部分，與正極材料（如LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2）形成自發的電子轉移過程，實現了在不進行預破碎和額外還原劑的情況下高效回收電池金屬。實驗結果表明，該方法可將鋰的回收率提高至99%以上，過渡金屬回收率超過90%，同時電子還原效率提升約25倍，浸出動力學提高約30倍。此外，環境-經濟評估顯示，與傳統冶金方法相比，該策略可降低11.36%-21.10%的能耗和5.08%-23.18%的碳排放，同時提高21.14%-49.18%的經濟效益。這一成果為鋰離子電池的可持續回收提供了一種高效、環保且經濟的新途徑。
圖文解讀
圖1：改進的金屬回收效率
圖1展示了基于“電化學浸出”系統的金屬回收效率提升的實驗設計和關鍵結果。研究團隊通過熱力學分析，比較了使用鋁箔作為還原劑與其他常見還原劑（如過氧化氫和亞硫酸氫鈉）的吉布斯自由能變化，發現鋁箔在還原反應中的吉布斯自由能更低，表明其在浸出過程中具有更高的效率（圖1a）。基于此，研究設計了一種自組裝的電化學浸出系統，利用廢棄鋰離子電池中的鋁箔與正極材料（如NCM）形成原電池，通過電子的定向轉移實現金屬的高效回收（圖1b）。實驗結果表明，在優化條件下（2 mol/L鹽酸、液固比200:1、60°C），鋰的浸出率達到99%，鎳、鈷和錳的浸出率分別達到91.62%、95.15%和94.19%（圖1c-f）。此外，該系統的電子還原效率比傳統方法提高了約25倍，浸出動力學提升了約30倍（圖1g-h）。這些結果表明，電化學浸出系統在提高金屬回收效率的同時，顯著降低了反應活化能，為鋰離子電池的可持續回收提供了新的思路。
圖2：表面形貌與元素分布的演變
圖2通過掃描電子顯微鏡（SEM）和電子探針微分析（EPMA）展示了廢棄NCM電極顆粒在電化學浸出過程中的表面形貌和元素分布變化。初始時，NCM顆粒表面光滑且致密（圖2a）。隨著浸出時間的增加，顆粒表面開始溶解并出現裂縫（圖2b），隨后內部逐漸形成空腔，這些空腔隨著時間進一步擴大（圖2c-e）。最終，顆粒內部的金屬成分被完全浸出，僅留下由碳、氟和氧組成的有機框架（圖2f）。通過EPMA分析，研究發現鈷（Co）和氟（F）的分布隨著浸出時間的變化而顯著不同。鈷含量在浸出初期迅速降低，且表面的鈷含量低于內部（圖2h-k），表明浸出過程優先從表面開始。而氟含量在整個浸出過程中保持穩定，說明有機框架未被破壞，從而抑制了氟化物污染（圖2i-o）。這些結果揭示了電化學浸出系統在高效溶解金屬的同時，能夠保持有機框架的完整性，減少環境污染。
圖3：微觀結構的轉變
圖3利用高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）展示了廢棄NCM顆粒在電化學浸出過程中的微觀結構變化。原始的NCM顆粒具有典型的層狀結構，其晶格條紋清晰均勻（圖3a-c）。然而，隨著浸出時間的增加，顆粒表面逐漸出現殼核分離現象（圖3d-f），并且從層狀結構逐漸轉變為尖晶石相，最終形成巖鹽結構（圖3g-i）。這種結構轉變的原因在于電化學浸出過程中電子的定向流動，導致鋰離子從晶格中遷出，形成鋰空位，同時過渡金屬離子占據這些空位，從而改變了晶格的排列方式。此外，顆粒內部的腐蝕程度大于表面，這可能是由于內部電荷積累導致晶格結構的不穩定和坍塌（圖3j）。這些微觀結構的變化不僅解釋了金屬的高效浸出機制，還為優化浸出條件提供了理論依據。
圖4：金屬回收機制
圖4通過X射線衍射（XRD）、X射線光電子能譜（XPS）和擴展X射線吸收精細結構（EXAFS）分析，揭示了電化學浸出系統中金屬回收的機制。XRD結果顯示，隨著浸出時間的增加，NCM電極的特征峰逐漸減弱并發生位移，表明其晶體結構被逐步破壞（圖4a-d）。XPS分析表明，鎳的價態從+3逐漸降低到+2，且表面的鎳優先溶解進入溶液，導致內部高價態鎳的還原（圖4e-h）。進一步的EXAFS分析顯示，浸出過程中鎳的配位環境發生變化，鎳與過渡金屬之間的配位鍵減少，而鎳與氧的配位鍵增加（圖4i-n）。這些結果表明，電化學浸出過程中，電子從鋁箔流向NCM顆粒，優先還原并溶解顆粒表面的金屬氧化物，最終形成空腔結構，從而實現金屬的高效浸出。這一機制為理解電化學浸出的高效性提供了重要依據。
圖5：環境影響與經濟分析
圖5通過環境和經濟評估，比較了電化學浸出方法與傳統火法和濕法冶金回收工藝的優劣。研究設計了一種從廢棄NCM電池到新型鋁摻雜正極材料的可持續回收流程（圖5a）。通過EverBatt模型分析，電化學浸出方法在能量消耗和溫室氣體排放方面顯著優于傳統方法，其能量消耗和溫室氣體排放分別比火法冶金降低了21.10%和23.18%，比濕法冶金降低了11.36%和5.08%（圖5b-c）。此外，電化學浸出方法在處理廢水和廢氣方面更具優勢，盡管固體廢物處理成本略有增加，但其經濟收益顯著提高，達到每千克廢棄電池26.58美元，比火法冶金提高了49.18%，比濕法冶金提高了21.14%（圖5e-f）。這些結果表明，電化學浸出方法不僅在環境友好性方面表現出色，還具有顯著的經濟優勢，為鋰離子電池的可持續回收提供了一種可行的解決方案。
總結展望
本研究提出了一種創新的短路徑電化學浸出方法，用于廢舊鋰離子電池（LIBs）的高效回收，顯著降低了回收過程中的熵增。傳統回收工藝中，破碎和浸出是熵增的主要環節，而本研究通過利用廢棄的LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2（NCM）電極與鋁箔集流體自組裝形成原電池系統，避免了預破碎和額外還原劑的使用。在高達3.84 V的理論電位差驅動下，電子還原效率從2.90%提升至79.97%，顯著提高了金屬的浸出效率。實驗結果表明，在優化條件下，鋰、鎳、鈷和錳的回收率分別達到99.01%、91.62%、95.15%和94.19%，金屬溶解速率提高了30倍以上，并在整個反應過程中保持穩定。通過EverBatt 2023模型評估，該策略相比傳統冶金方法，能耗和碳排放分別降低了11.36%-21.10%和5.08%-23.18%，經濟效益顯著提升，達到每千克電池26.52美元，較傳統方法提高了21.37%-49.24%。該研究的核心發現不僅為廢舊LIBs的高效回收提供了新的技術路徑，還強調了熵管理在資源回收中的重要性，為城市采礦、清潔生產和循環經濟領域的技術進步提供了理論支持。其潛在應用價值在于可擴展至其他高熵增的廢棄電子設備回收，如電路板和顯示器等，為解決復雜廢棄物的回收難題提供了新的思路。未來的研究方向可包括進一步優化電化學浸出工藝以降低成本、提高效率，以及探索該技術在更多復雜材料中的應用潛力，推動可持續資源回收技術的廣泛應用。
相關論文信息
Tiantian Chen, Ganbing Zhang, Hongwei Sun, Yetong Hua, Shu Yang, Dandan Zhou, Haoxin Di, Yiling Xiong, Shenghuai Hou, Hui Xu & Lizhi Zhang. Robust Fe-N4-C6O2 single atom sites for efficient PMS activation and enhanced FeIV?=?O reactivity. Nat Commun 16, 2402 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-57643-7
作者簡介
李金惠：清華大學環境學院長聘教授、教育部“長江學者”獎勵計劃特聘教授、巴塞爾公約亞太區域中心執行主任。研究方向：固體廢物控制與資源化、固體廢物管理。發表學術論文400余篇，其中SCI/SSCI收錄180余篇；申請專利獲授權30余項。曾獲2016年國家科技進步二等獎（排名第1）、2019年中國環境保護產業協會“環境技術進步獎”一等獎（排名第1）、2021年湖北省技術發明一等獎（排名第2）、2022年中國循環經濟協會科技進步獎一等獎（排名第1）等國內和國際獎勵20余項。
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