综述：锂离子电池回收：技术经济与社会环境影响的关键综述

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

　　

随着电动汽车和电子设备中锂离子电池（LIBs）的使用日益增加，对可持续回收解决方案的需求变得迫切。本研究对锂离子电池回收进行了全面分析，整合了技术、环境、经济和社会维度。研究人员探索了湿法冶金（hydrometallurgy）、火法冶金（pyrometallurgy）和直接回收（direct recovery）等回收过程，用于提取和再利用关键电池组件，包括正极（cathode）、负极（anode）、电解质（electrolyte）、粘结剂（binder）、隔膜（separator）和集流体（current collector）。研究人员对回收材料与原生材料以及填埋（landfilling）等处置方法进行了生命周期比较，重点关注温室气体（GHG）排放、能源需求、用水量和系统成本。直接回收被证明是最具环境和经济优势的方法，展现出最低的排放（0.6–8.1?kg CO?/kg）、能耗（3.5–112.1?MJ/kg）和成本（0.9–4.1美元/kg），且水污染最小。相比之下，原生锂离子电池制造和填埋的环境和经济影响远高于回收。经济分析进一步表明，即使适度的财政激励也能显著提高所有回收路线的盈利能力和竞争力，尤其是直接回收。本研究还探讨了补贴、碳信用和生产者延伸责任（EPR）计划等政策工具在提升回收可行性中的作用。此外，研究人员识别了关键的技术和社会环境挑战，并提供了未来研究方向，以指导可持续锂离子电池回收的进展。研究结果强调需要政策驱动的支持来扩大直接回收规模并缩小研究差距，为发展低碳、循环电池经济提供了可操作的见解。

**1. 引言**
随着全球对可再生能源、电动汽车（EVs）和便携式电子设备的依赖持续增长，对电池的需求正在急剧上升。锂离子电池（LIBs）因其高能量密度、稳定的电压输出、长寿命和环境优势而脱颖而出，成为电子、电动汽车、医疗保健、电信和航空航天等领域的关键组件。锂离子电池的广泛采用预计将导致大量报废电池废物的产生，尤其是当电动汽车电池容量降至80%以下时需更换。报废锂离子电池含有有价值的资源，如锂（Li）、钴（Co）和石墨，可通过回收有效提取、再利用或重新整合到生产周期中。目前，全球生产的锂离子电池中只有不到5%被回收。现有研究大多关注孤立方面，缺乏整体综合分析。本综述通过评估锂离子电池在技术、环境、经济和社会维度上的表现来填补这一空白，并独特地考察了单个组件（包括正极、负极、电解质和粘结剂），同时提供回收材料、原生替代品和填埋之间的生命周期比较，以及对湿法冶金、火法冶金和直接回收等关键技术的成本效益分析。

**2. 锂离子电池回收技术**
本节概述了关键的锂离子电池回收方法，并探讨了用于评估其环境、经济和社会性能的可持续性评估工具。
**2.1. 锂离子回收方法**
锂离子电池回收过程始于报废收集，随后是预处理，包括放电、拆解和分离三个关键步骤。放电确保安全移除残余电能，拆解提取单个电池单元或模块，分离阶段隔离正极、负极、电解质和外壳材料等关键组件。预处理后，回收材料通过直接回收、火法冶金、湿法冶金或这些方法的组合进行金属提取。湿法冶金利用水溶液通过浸出和金属分离两个主要阶段提取和分离金属。火法冶金是一种成熟且直接的回收方法，无需分选和尺寸减小，但能耗高、排放有毒气体，且主要回收钴和镍。直接回收是一种新颖方法，旨在回收活性材料同时保持其原始化学结构，具有更简单的过程、更低的排放和更少的污染，但仅限于实验室规模。工业上常用火法冶金和湿法冶金，但两者均非完美。表2比较了不同方法的技术、容量和成本。
**2.2. 锂离子电池回收评估的可持续性工具**
评估锂离子电池回收的可持续性需要稳健的分析工具，如生命周期评估（LCA）、生命周期成本评估（LCCA）、物质流分析（MFA）等。生命周期可持续性评估工具由LCA、LCCA和社会生命周期评估（S-LCA）组成，能够全面评估环境、经济和社会表现。LCA评估环境影响，LCCA评估经济性能，S-LCA评估社会影响，三者结合提供了可持续性支柱间的相互联系和权衡。

**3. 锂离子电池回收的经济-环境分析**
锂离子电池的生产、使用和处置具有显著的环境影响，涉及资源消耗、污染和温室气体（GHG）排放。成本分析对于评估不同回收过程的经济可行性至关重要，包括资本投资、运营费用和潜在收入。图8展示了不同组件的能耗、碳足迹和成本。正极材料回收是核心，采用火法冶金、湿法冶金和直接回收等方法。表7比较了不同研究的排放、成本、能耗等数据。直接回收在环境和经济上最有利，排放最低（0.6–8.1?kg CO?/kg）、能耗最低（3.5–112.1?MJ/kg）、成本最低（0.9–4.1美元/kg），水污染最小。相比之下，原生锂离子电池制造排放和成本极高，填埋则导致非常高的温室气体排放。经济分析表明，即使适度的财政激励也能显著提高各回收路线的盈利能力，直接回收在无激励下利润率最高（151.4%）。
**3.1. 负极材料回收**
负极回收主要关注石墨的回收和纯化。不同过程的环境影响差异显著，缺陷驱动锡成核法在排放、成本和能耗上优于湿法冶金。石墨回收成本通常低于原生石墨价格，具有经济优势。
**3.2. 电解质、隔膜和集流体回收**
回收电解质、隔膜和集流体可提高整体材料回收效率并减少环境影响。例如，He等人开发的无酸无碱过程实现了电解质回收率95.6%、铝箔99.0%等，总回收成本约25.41美元/吨。这些组分的回收增强了循环性和可持续性，但大规模实施仍面临挑战。

**4. 锂离子电池回收的社会层面**
锂离子电池回收通过创造就业机会、促进经济增长、改善社区健康等方面产生积极社会影响。国际劳工组织报告称，绿色经济转型到2030年可创造2400万个新工作岗位。回收可防止有毒金属污染土壤和水，减少健康风险。回收还有助于减轻社会不平等，减少对采矿的依赖。然而，集中式回收设施若管理不当可能带来局部环境与健康风险，需实施严格排放控制和职业安全措施。图14比较了回收与采矿生产的社会指标，显示回收通常具有较低的社会风险。图15总结了四个主要社会领域：政策与法规、协作与伙伴关系、意识与参与、研究与创新。

**5. 挑战与未来建议**
回收挑战包括杂质、高能耗、有害副产品、技术不成熟、政策支持不足等。回收技术方面，火法冶金能耗高、损失锂；湿法冶金产生废水；直接回收面临分选混合化学体系和保证质量等挑战。行业与基础设施挑战包括渠道碎片化、技术瓶颈、缺乏自动化。监管与政策问题包括区域标准差异、激励不足、公众意识低。未来研究方向包括：开发高效可持续的石墨回收方法；探索新型正极回收技术（如深共晶溶剂湿法冶金、阴极再锂化等）；进行全面的生命周期评估和技术经济分析；以及将实验室创新规模化。

**6. 结论**
随着全球对锂离子电池需求上升和关键原材料短缺，报废锂离子电池回收已成为战略重点。直接回收是最环境和经济有利的方法，火法冶金和湿法冶金各有优劣。原生制造和填埋影响更严重。回收也带来社会效益。未来需整合正极、负极、电解质等组件回收，并依靠政策支持推动循环电池经济。