综述：可持续LCO阴极回收的新策略：将热机械预处理与磷胆碱-DES回收系统相结合

首页今日动态人才市场新技术专栏中国科学人云展台
BioHot
云讲堂直播会展中心特价专栏技术快讯免费试用

生物通官微
陪你抓住生命科技
跳动的脉搏

生物通首页 > 今日动态 > 正文

《Separation and Purification Technology》：Emerging strategies for sustainable LCO cathode recycling: Integrating thermomechanical pretreatment with phosphocholine-DES recovery systems

【字体：大中小】 时间：2025年11月07日 来源：Separation and Purification Technology 9

编辑推荐：

　　锂离子电池（LIBs）回收对资源循环和环境保护至关重要。传统方法存在锂回收率低、能耗高、污染大等问题。本文提出一种新型闭环回收流程，通过热机械预处理（煅烧与可控破碎）结合乙醇改性磷胆碱深共晶溶剂（DES），实现钴和锂的高效分离与回收。实验表明，该工艺在90℃、240分钟内可实现钴回收率98-99%、锂回收率97-100%，且溶剂可循环使用5-6次，显著降低环境负担。

保罗·阿弗雷|秦志琴|高丽珍|张伟科

山西大学化学与化学工程学院（武城校区），中国山西省太原市小店区武城路92号

引言

随着对绿色能源的追求，锂离子电池（LIBs）在便携式电子设备和电动汽车中的使用日益普及。然而，这也带来了大量的废弃物[[1], [2], [3], [4], [5]]。每个锂离子电池的化学混合物中含有锂（Li）、钴（Co）、镍（Ni）和锰（Mn）等元素，这些元素被视为关键矿物[6,7]。因此，废旧锂离子电池既具有作为宝贵二次资源的潜力，同时也可能对环境造成危害[8]。例如，据估计，生产一吨电池级钴需要开采大约300吨矿石；而同样的量只需从5-15吨废旧电池中就能获得。同样，生产一吨电池级锂需要大约250吨矿石或750吨来自初级资源的盐水。然而，实际上只需要约28吨废旧电池就可以提取一吨锂[[9], [10], [11], [12]]。因此，这种巨大的资源差距促使人们不断寻求更高效的回收方法，以保护资源并实现材料的循环利用。另一方面，全球范围内废旧锂离子电池的回收率仍然很低[1]。许多废旧电池在焚烧时存在爆炸风险，并会释放有毒有机物和金属。2019年，欧盟地区回收了约17%的废旧电池，美国回收了10%，而只有不到1%的锂被回收[13,14]。此外，大多数传统的回收方法主要针对钴和镍的高价值成分，往往忽视或丢失了锂[15]。预计对钴的需求将持续上升。然而，在许多锂离子电池的化学体系中，锂是不可替代的。因此，对于智能手机和笔记本电脑等便携式电子产品而言，LiCoO₂正极的闭环回收至关重要。锂钴氧化物（LiCoO₂）是一种用于消费电池的层状氧化物。其晶体结构（O–Co–O–Li–O交替层）[16]能够嵌入Li⁺离子。由于LiCoO₂中强烈的Co-O和Li-O键[17, [18], [19], [20], [21]，将其溶解以回收钴和锂是非常具有挑战性的，这需要使用强试剂或高能量。一旦溶解，可以通过多种沉淀方法[22], [23], [24]来回收钴和锂。钴可以通过草酸[22,25,26]沉淀为草酸钴（CoC₂O₄）；也可以用氢氧化钠[24]或氨蒸馏[27]回收为氢氧化钴。锂通常通过向剩余液体中加入碳酸钠（Na₂CO₃）来回收，从而得到碳酸锂（Li₂CO₃，目前已实现了99.59%的纯度和91%的回收率[29]。锂还可以以93%的纯度回收为LiCl晶体[29]。这些回收过程的目标是高效地回收有价值的金属，减少对环境的影响，并促进锂离子电池的循环经济[25,30]。虽然热解和酸浸可以分解这些化学键，但成本较高。因此，需要开发可持续且选择性的方法，在最小化能源消耗和废物的同时提取钴和锂[8,13]。本文通过一个具体的案例研究，综合了最新的进展，并展示了一种实用的、低废弃物的锂钴氧化物回收工艺流程。该案例结合了热机械预处理（煅烧和可控粉碎）与乙醇改性的磷胆碱（PCho）深共晶溶剂（DES），实现了金属的闭环回收。我们利用这个案例研究将综述中的见解转化为具体的工艺选择和性能指标。研究表明，乙醇改性的磷胆碱（PCho）DES是一种高效的选择性回收方法，可以在不破坏锂的情况下沉淀出磷酸钴（CoHPO₄），同时将锂留在溶液中以回收Li₃PO₄。理想的固液比表明，这种溶剂冶金方法可以在不使用极端条件的情况下达到或超过传统方法的产量。文章还评估了溶剂的循环利用性和生命周期影响（≥5-6次循环，只需少量补充）。此外，还结合了动力学、热力学和物种分析，提供了关于温度、酸浓度、共溶剂含量和预处理条件的实用建议，以设计出高效的回收循环。此前没有研究将热机械处理与乙醇改性的磷胆碱DES结合使用，以实现选择性沉淀CoHPO₄。这种方法在温和条件下实现了近乎定量的钴和锂回收，并证明了溶剂的可重复使用性。

部分摘录

火法冶金（Pyro）

火法冶金涉及在高温（>1000°C）下熔炼破碎的电池以形成金属合金[31]。实际操作中，废旧电池先被干燥、粉碎，然后送入电炉中。有价值的金属（镍、钴和铜）被收集为金属合金，而铝和铜则可能形成渣[32], [33], [34], [35]。火法冶金方法成熟且应用广泛，能够处理多种化学成分和原料，无需预先分类。然而，这种方法能耗高，并会产生大量排放物（如二氧化碳、氢氟酸等）[36]。

全球挑战与可持续性需求

传统的回收方法不足以实现这些关键材料的完全循环利用。目前，锂离子电池的回收技术尚不足以实现完全的循环经济[70]。主要原因在于锂的回收率低[71,72]、废旧电池的收集不足，以及对高价值金属的经济关注，这些因素共同导致了原生材料需求的增加和环境问题[70,71]。

方法论

首先对废旧锂离子电池进行电放电处理，方法是将电池浸入2-6%的NaCl溶液中24小时。然后手动拆解电池，将电极材料在300-600°C下热处理15-60分钟。之后，在四叶片破碎机中以约2800转/分钟的速度粉碎2-5分钟。粉碎后的物料经过筛分，得到粒径小于75微米的黑色物质，用于后续浸出过程（图1(a)）。

结论

本文提出了一种实用的锂钴氧化物回收工艺，该方法结合了热机械预处理和乙醇改性的磷胆碱溶剂。该系统能够实现接近定量的金属回收，钴的回收率为98-99%，锂的回收率为97-100%。整个过程在90°C、固液比为30克/升的条件下进行240分钟。该工艺可以直接获得高纯度的磷酸钴（CoHPO₄）和磷酸锂（Li₃PO₄），这两种产品都适用于电池制造。