Science子刊，锂电回收新方法！

famous程 4个月前 (10-27) 1334浏览

1.【导读】

电池金属对商业化二次锂离子电池中电极材料来说至关重要，特别是锂、钴、镍、锰等。从自然储备中获取电池金属长期且不可持续，不断增长的资源需求和可预见的储量短缺激励人们从其他资源（如废旧锂电池）中回收电池金属。废旧锂电池是一种很有前途的电池金属供应替代资源，预计到2030年，全球废旧锂电池金属市场将达到约228亿美元。目前，废旧锂电池中回收电池金属的工艺方法主要包括高温冶金法、湿法冶金法、生物冶金法和电化学萃取法等。但这些方法存在不同程度的环境污染和经济成本问题，制约了电池金属回收的进一步发展。因此，需要发展一种快速有效的回收方法，能够在保持环境友好的同时，实现不同电池金属的高可提取性和回收率。

2.【成果掠影】

基于以上研究背景，美国莱斯大学Boris I. Yakobson和James M. Tour教授（共同通讯作者）等人通过脉冲直流闪蒸焦耳加热（FJH）的方法对酸浸前的正负极混合物进行活化，极大提高了离子的浸出动力学，并且实现了不同化学性质电池金属的高回收率。相关研究成果以“Battery metal recycling by flash Joule heating”为题发表在最新一期Science Advances期刊上。

3.【核心创新点】

  1. FJH超快高温活化处理后，离子浸出动力学提高约1000倍，且适用于不同电池金属的高回收率。
  2. 相比现有其他回收工艺，FJH活化策略具有显著的环保和经济成本优势。

4.【数据概览】

图1.黑色物质中酸萃取电池金属。© 2023 AAAS

（A）各种黑色物质中HCl可萃取电池金属含量（1 M HCl, 50℃）和电池金属总量（王水，50℃）以及1 M HCl对黑色物质电池金属的回收率。

（B）BM-1中pH对锂和过渡金属浸出率（HCl (aq), 50°C）的影响。

（C）BM-1和原始LiCoO2的高分辨率Co 2p光谱。

（D）金属及其相应金属化合物在1 M HCl中溶解的吉布斯自由能。

（E）BM-1的高分辨率C 1s光谱。

（F）BM-1的扫描电镜（SEM）图像。

（G）CO和不同金属氧化物的Ellingham氧势图。

（H）不同电池金属与碳的蒸汽压力-温度关系。

图2. FJH活化提高不同黑色物质中电池金属的回收率。© 2023 AAAS

（A）FJH活化过程中相关的时间和温度图表。

（B）黑色物质的FJH活化示意图，电阻性正极颗粒呈现局部热点。

（C）有无FJH活化的酸浸结果。

（D）FJH活化条件为80 V, 0.11 s时的电流-时间曲线。

（E）FJH活化条件为80 V, 0.11 s时的实时温度测量。

（F）FJH活化的BM-1中，HCl萃取（1 M, 50°C）的电池金属含量、回收率(Y/Y0)的增加与FJH电压的关系。

（G）FJH活化的BM-1中，HCl萃取（1 M, 50°C）的电池金属含量、回收率(Y/Y0)的增加与FJH活化时间的关系。

（H）FJH活化后的黑色物质中HCl（1 M, 50°C）可提取的电池金属含量和各种黑色物质中电池金属的总定量（王水，50°C），以及不同FJH活化的黑色物质中1 M HCl对电池金属的回收率（Y）。

（I）不同浸出剂对锂和过渡金属回收率的比较。

图3. FJH活化提高电池金属可萃取性的机理。© 2023 AAAS

（A）1M HCl溶液中（50°C）BM-1和FJH活化后BM-1的动态浸出回收率比较。

（B）动态锂浸出速率与浸出液中Li+浓度的关系。

（C）动态过渡金属浸出速率与浸出液中总过渡金属离子浓度的关系。

（D）FJH活化BM-1（1 M HCl, 50°C）中Co2+、Co3+浓度与闪蒸电压的关系。

（E）标准温度压力下，原始和FJH活化后BM-1的氮气吸脱附曲线及比表面积计算。

（F）FJH活化后BM-1的XRD谱图。

（G）FJH活化产生的气态物质。

图4. FJH活化的黑色物质的微观表征。© 2023 AAAS

（A）FJH活化的BM-1 HR-TEM图像。

（B）FJH活化的BM-1 TEM图像。

（C）模拟2500 K下退火9 ns时，Li+渗透的部分石墨化非晶态碳结构，其中绿线为计算得到的Li+轨迹。

（D）FJH活化的BM-1二次颗粒微观形貌及相应的元素分布。

（E）FJH活化的BM-1初级颗粒纳米形貌及相应的元素分布。

图5. FJH活化回收工艺的经济性与环保性分析。© 2023 AAAS

不同废旧锂离子电池回收路线工艺流程图的对比：

（A）湿法冶金法。

（B）高温冶金法。

（C）FJH活化回收法。

（D）不同工艺处理1 kg废电池，12 M浓盐酸的用量对比。

（E-H）不同工艺处理1 kg废电池再回收生产~0.35 kg正极材料，用水量、能耗、温室气体排放和成本的对比分析。

5.【成果启示】

近年来，超快、可控和节能的电加热被用于进行材料合成和加工方面的探索。像碳热冲击以及该工作中使用的闪蒸焦耳加热（FJH）工艺，已被用于合成各种具有有趣结构和成分的纳米材料，如高熵合金和涡轮状石墨烯。以本工作为例，FJH超快的升温和淬火过程可以瞬间提温至2100 K, 促进了电极材料中难溶物的热解和难溶金属化合物的热还原，也缓解了锂等挥发性金属元素的损失，极大提高了金属离子后续的浸出动力学，保证电池金属的回收率。并且，相比锂电池回收的现有工艺展现出显著的环保和经济优势。该工作不仅为锂电回收提供了新方法，也拓展了超快加热工艺的应用，对于可编程超快加热/降温工艺的发展具有重要的推动意义，也为其在其他方面的应用提供了有益借鉴。

原文详情： Weiyin Chen et al. ,Battery metal recycling by flash Joule heating. Sci. Adv.9, eadh5131 (2023). DOI:10.1126/sciadv.adh5131.

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh5131。

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