综述：锂离子电池回收：技术经济与社会环境影响的关键评估

《Separation and Purification Technology》：Lithium-ion battery recycling: a critical review of techno-economical and socio-environmental impacts

该研究系统评估了锂离子电池回收的技术、环境、经济和社会维度，发现直接回收法在降低碳排放（0.6-8.1 kg CO?/kg）、能耗（3.5-112.1 MJ/kg）和成本（$0.9-4.1/kg）方面最具优势，同时强调政策激励（如补贴和碳信用）对提升回收经济性的关键作用，并提出需加强跨学科研究、优化资源回收流程及完善政策框架以推动循环经济。

　　随着锂离子电池（LIBs）在电动汽车和电子设备中的广泛应用，对可持续回收解决方案的需求日益迫切。本文通过全面分析LIBs的回收过程，综合考虑了技术、环境、经济和社会等多方面的因素。研究探讨了诸如水法冶金、火法冶金和直接回收等工艺，以提取和再利用电池的关键组件，包括正极材料、负极材料、电解液、粘结剂、隔膜和集流体。同时，还对回收材料与原始材料的生命周期进行了比较，评估了包括温室气体排放、能源需求、水耗和系统成本在内的关键指标。研究发现，直接回收是最具环境和经济优势的方法，显示出最低的排放（0.6–8.1 kg CO?/kg）、能源消耗（3.5–112.1 MJ/kg）和成本（$0.9–4.1/kg），并且对水污染的影响最小。相比之下，原始LIB制造和填埋处理对环境和经济的影响显著更高。经济分析进一步表明，财政激励措施即使水平不高，也能显著提升所有回收途径的盈利能力和市场竞争力，尤其是直接回收。此外，研究还探讨了政策工具如补贴、碳信用和扩大生产者责任（EPR）计划在提升回收可行性方面的作用。文章还识别了关键的技术和社环挑战，并提出了未来研究方向，以指导可持续LIB回收的进一步发展。研究结果强调了政策支持对于扩大直接回收规模和填补研究空白的重要性，为构建低碳、循环的电池经济提供了可行的见解。

全球对电池的需求正在迅速增长，这主要归因于可再生能源、电动汽车和便携式电子设备的广泛使用。随着全球向可持续能源解决方案转型，电池在高效能量存储和管理中的作用变得越来越关键，这使得电池的生命周期管理成为一项重要的任务。自2017年以来，电动汽车的销量首次突破100万辆，预计到2030年将达到2700万辆。此外，据另一项研究预测，到2040年，全球将产生约575万吨退役电池。这种增长趋势表明，电池的回收和再利用不仅对环境保护至关重要，也对资源的可持续利用具有深远影响。电池的长期使用和大规模部署使得退役电池的处理成为不可忽视的问题，特别是在电池材料稀缺、供应链不稳定和环境影响日益严重的背景下。

锂离子电池因其高能量密度、稳定的电压输出、长寿命和环境友好性而成为各种行业的重要组成部分，包括电子设备、电动汽车、医疗、电信和航空航天。然而，这些电池在生命周期结束时，往往被不当处理，如填埋，这不仅带来了严重的环境和健康风险，还可能造成资源浪费。有害物质如重金属和有毒电解液可能渗入土壤和水源，造成污染。如果不进行有效回收，退役电池的不断增长将导致污染加剧，并可能加剧关键矿物的资源枯竭问题。因此，LIBs的回收不仅有助于资源的循环利用，还能够减少对原始资源的依赖，降低对环境的负面影响。

目前，大多数关于LIBs的研究集中在单一的技术方面，缺乏对技术、环境、经济和社会维度的综合分析。本文通过评估LIBs的关键组件（如正极、负极、电解液等）的回收路径，提供了独特的视角，考虑了其技术、环境和经济影响。同时，本文还提供了关于回收材料与原始材料以及填埋处理的生命周期比较，同时进行了关键回收技术的经济-环境分析，为长期可行性提供了有价值的见解。研究还指出了目前研究中的主要缺口，即大多数研究独立评估这些方面，关注于提高工艺效率、减少环境影响或分析成本表现，而没有考虑这些因素之间的相互依赖关系。这种孤立的评估方法常常导致碎片化的结论，例如，一个被认为经济可行的回收路线可能在环境或社会上不可持续，因为其劳动强度或安全问题。通过在统一分析框架中整合这些维度，本文为LIBs回收提供了更全面的理解，不仅推动了科学讨论，还支持政策制定者和行业利益相关者设计可持续、可扩展和经济可行的回收策略。

本文的结构如下：第二部分讨论了LIBs回收的技术现状，第三部分评估了回收过程的经济和环境影响，第四部分分析了回收的社会维度，第五部分探讨了回收面临的挑战和未来建议，最后是结论。研究强调了政策驱动支持的重要性，以扩大直接回收并关闭研究缺口，为构建低碳、循环的电池经济提供了可行的建议。此外，本文还指出，尽管直接回收具有显著的优势，但目前仍主要局限于实验室规模，其大规模工业应用面临诸多挑战，如高纯度材料的回收和确保所需的晶体结构。

在技术层面，LIBs的回收过程通常包括收集、预处理、材料提取和再利用。其中，预处理阶段涉及放电、拆解和分离，这是确保安全和提高回收效率的关键步骤。放电过程旨在安全地移除残余电能，以防止短路和其他安全隐患，但需要谨慎监控以避免过度放电和热失控，这使得该过程既安全敏感又劳动密集。拆解是后续步骤，涉及将电池组拆解以提取单个电池或模块，但由于电池设计和配置的多样性，这一过程耗时且难以自动化，同时也存在暴露于有毒电解液或意外短路的风险。分离阶段则通过物理、机械、热处理、化学和机械化学方法将关键组件如正极、负极、电解液和外壳材料分离开来，但面临着材料污染和低效分类的挑战，尤其是在处理不同电化学组成和格式的电池时，这可能会降低回收效率并增加处理成本。

水法冶金、火法冶金和直接回收是当前主要的LIBs回收方法。水法冶金利用水溶液提取和分离电池中的金属，其主要步骤包括浸出和金属分离。在浸出阶段，预处理后的电池材料被暴露于酸和还原剂，从而促进固体相金属溶解为可溶性金属离子。各种浸出剂，如无机酸（如H?SO?、HCl和HNO?）和有机酸（如柠檬酸、酒石酸和草酸）被广泛使用，同时还原剂也被用来增强金属提取效果。一旦溶解，金属离子通过化学沉淀、溶剂萃取、离子交换或电沉积等技术进行选择性分离，以确保高效金属回收。相比之下，火法冶金是一种成熟且简便的回收方法，其灵活性在于无需分类和尺寸减小，允许不同类型LIBs的混合处理。这使得预处理步骤可选，LIBs和镍氢电池（Ni-MH）可以混合回收。然而，这种方法的缺点包括高能耗和有毒气体的排放，以及后续步骤中从形成的合金中分离金属的高昂成本。此外，火法冶金在材料回收方面较为有限，主要回收正极中的钴和镍，以及负极中的铜，而锂和锰通常损失在炉渣中，电解质和塑料则在高温处理过程中蒸发。尽管传统LIBs中钴含量较高，使火法冶金保持盈利，但随着行业向低钴电池化学组成转变，该方法的长期可行性面临挑战。

直接回收是一种新兴的回收方法，专注于在不破坏活性材料化学结构的情况下回收LIBs的活性材料。该过程从电池拆解开始，随后通过磁分离和受控热处理等技术对组件进行物理分离，从而避免活性材料的降解。活性材料的纯化则通过水热处理、固相处理、电化学技术和化学再锂化等方法实现，有助于恢复材料的宏观缺陷。直接回收方法提供了显著的优势，如更简单的流程、可立即再利用的再生活性材料以及比火法和水法冶金更低的排放和二次污染物。然而，直接回收目前仍局限于实验室规模，由于高纯度材料回收和晶体结构维持的挑战，尚未适合大规模工业应用。此外，直接回收需要严格的分类，且目前主要适用于具有已知化学组成的电极碎片回收。

在环境评估方面，研究显示，直接回收在温室气体排放、能源消耗和成本方面均优于其他方法。根据文献综述，直接回收的排放范围为0.6–8.1 kg CO?/kg，能源消耗为3.5–112.1 MJ/kg，成本为$0.9–4.1/kg，对水污染的影响最小。相比之下，原始LIB制造和填埋处理的环境和经济影响显著更高。例如，原始LIB制造的温室气体排放为11.3–19.8 kg CO?/kg，能源消耗为152.9–163.8 MJ/kg，成本为$22.7–23/kg，同时伴随严重的水污染。填埋处理虽然成本低廉（$0.5–2/kg），但会导致极高的温室气体排放（67–286 kg CO?/kg）和长期环境退化，强调了改进回收基础设施和采用更清洁技术的迫切需求。

经济分析进一步揭示了财政激励措施在提升LIBs回收盈利能力方面的重要性。研究显示，即使财政激励措施水平较低，也能显著提高所有回收路线的盈利能力和市场竞争力，特别是直接回收。此外，研究还探讨了政策工具如补贴、碳信用和EPR计划在提升回收可行性方面的作用。尽管目前回收技术在经济上具有一定的可行性，但高昂的资本投入和复杂的工艺流程仍然是限制其大规模应用的重要因素。因此，研究强调了通过政策支持来优化回收路线和提高经济可行性的重要性。

在社会层面，LIBs回收不仅有助于减少健康危害和创造就业机会，还能促进社会公平和伦理资源利用。回收过程中的工作机会包括电池收集、分类和处理设施的运营，这有助于推动绿色经济的发展。同时，回收能够减少不当处置带来的环境和健康风险，如短路、热失控和火灾等。然而，回收过程也可能带来一些社会挑战，如集中处理设施可能对周边社区的健康和环境造成影响，尤其是在管理不当的情况下。因此，研究建议通过加强监管、制定清晰标准、促进公众参与和推动产业合作，建立一个高效、可持续和经济可行的回收生态系统。

此外，研究指出，尽管直接回收在环境和经济上具有显著优势，但目前仍面临一些技术挑战，如混合化学成分的分类和维持材料质量的一致性。同时，回收技术的成熟度和规模也影响了其经济和环境表现。因此，未来的研究方向应包括开发高效、环境友好且经济可行的回收方法，特别是针对石墨负极的回收。此外，应探索新兴的正极回收技术，如使用深度共晶溶剂（DES）的水法冶金、正极再锂化、电化学浸出和熔盐电解等方法。对于负极回收，研究建议探索先进的技术，如微波辅助热处理、超临界CO?萃取、生物浸出、闪速焦耳加热和冷等离子体处理，以提高回收率和质量。同时，进行全面的生命周期评估和技术经济分析，以评估新兴回收方法的能源效率、环境影响和成本效益，也是未来研究的重要方向。最后，研究强调了通过学术界、工业界和政策制定者的合作，将实验室规模的创新技术扩展到工业应用的重要性，以构建一个可持续的循环LIBs回收系统。

综上所述，本文通过对LIBs回收技术、经济和环境影响的综合分析，为构建可持续的电池经济提供了重要的见解和建议。研究强调了政策支持在推动直接回收和填补研究空白方面的重要性，同时指出了当前回收技术在环境、经济和社会层面的挑战。通过整合技术、环境、经济和社会维度，本文为政策制定者和行业利益相关者提供了设计可持续、可扩展和经济可行的回收策略的可行方案。未来的研究应聚焦于开发更加高效和环保的回收方法，推动技术进步和政策创新，以实现LIBs回收的全面优化和可持续发展。