类型a:学术研究报告
一、研究作者与机构
本研究由Shuyao Feng、Donghui Li、Junhai Deng、Zheng Yang(湘潭大学国家与地方联合化学过程模拟与强化工程研究中心)以及Jiafeng Zhang(中南大学冶金与环境学院难冶有色金属高效回收国家工程实验室)共同完成,通讯作者为Jiafeng Zhang与Yefeng Zhou。研究成果发表于《Separation and Purification Technology》期刊,2025年卷354期,文章编号128953。
二、学术背景
本研究属于废旧锂离子电池(LIBs, lithium-ion batteries)资源化回收领域。随着新能源汽车、消费电子及航空航天领域对LIBs需求的激增,废旧LIBs的处置问题日益严峻。这些电池含有重金属(如镍、钴、锰)和有毒有机物,不当处理会危害生态环境与人类健康。同时,废旧LIBs中锂、镍、钴等金属的浓度远高于原生矿产资源,具有极高的回收价值。
传统回收方法(火法冶金与湿法冶金)存在高能耗、高污染或流程复杂等问题,难以满足绿色经济需求。近年来,研究者尝试通过优先选择性提取锂(preferentially selective extraction of lithium)策略实现高效回收,但现有方法常因引入外源化合物(如NaHSO₄、NH₄Cl等)导致闭环回收(closed-loop recovery)困难。因此,本研究提出基于NaCl辅助焙烧(assisted roasting)与碳酸水浸出(carbonated water leaching)的闭环回收工艺,旨在实现高选择性锂提取、低污染、低成本的全流程回收。
三、研究流程与方法
1. 预处理阶段
- 对象与样本:废旧LIBs(未明确具体型号,但通过ICP-OES测定其粉末中Li、Mn、Ni、Co含量分别为34.85 mg/g、132.80 mg/g、0.86 mg/g、0.66 mg/g)。
- 步骤:电池在饱和NaCl溶液中放电24小时后,手工拆解获得正负极材料,粉碎过200目筛。
NaCl辅助焙烧
碳酸水浸出与Li₂CO₃提取
酸浸有价值金属
产物再生与闭环流程
四、主要结果与逻辑链
1. 选择性提锂机制:NaCl焙烧促使LIBs中Li₂O释放,CO₂将其转化为LiHCO₃并最终沉淀为Li₂CO₃,XPS显示Mn²⁺/Mn³⁺价态降低,证实金属氧化物还原。
2. 低酸耗高效浸出:碳酸水浸后残渣的金属-氧键更易断裂,稀硫酸即可实现高效浸出,无需还原剂。
3. 闭环设计:NaCl混合粉末回用、石墨再生、正极材料合成构成全流程闭环,每吨废旧LIBs利润达6,820美元。
五、结论与价值
本研究提出了一种工业化友好的闭环回收策略,其科学价值在于:
1. 方法创新:首次将NaCl熔盐辅助焙烧与CO₂强化浸出结合,实现锂选择性提取(99.3%)与低杂质引入。
2. 经济环保:相比传统工艺,减少三废排放,利润提升30%以上。
3. 应用潜力:再生石墨与正极材料性能优异,为大规模回收提供技术支撑。
六、研究亮点
1. 高选择性:通过NaCl焙烧与CO₂浸出的协同作用,锂提取效率达行业领先水平。
2. 全流程闭环:首次实现NaCl熔盐、石墨、正极材料的同步回收与再利用。
3. 低成本:仅需稀硫酸与CO₂,避免昂贵试剂,降低工业化门槛。
七、其他价值
研究通过生命周期经济分析(图11)与同类工艺对比(表5),证明其环境效益与经济效益的双重优势,为政策制定者提供了量化依据。