在废弃LiFePO4电池的深共晶溶剂回收过程中，利用光解作用实现Li/Fe的分离：高效浸出与可持续再生

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Photolysis-driven separation of Li/Fe in deep eutectic solvent recycling of spent LiFePO 4 batteries: High-efficiency leaching and sustainable regeneration

锂离子电池废电极材料中锂和铁的高效分离回收方法研究。采用乙二醇与草酸二水合物制备深共熔溶剂（DES），通过优化配比（11:1）、温度（70℃）和时间（10小时）实现锂铁分离，锂以Li3PO4形式回收，铁以FeC2O4·2H2O形式沉淀。光解反应替代传统氧化剂，实现Fe的绿色回收，溶剂可循环使用3次仍保持锂回收率92.86%。再生LiFePO4材料在1.0C倍率下首次充放电容量达128.61 mAh g?1，证实了工艺的可行性和可持续性。

　　在当前全球对锂离子电池需求不断增长的背景下，锂铁磷酸盐（LiFePO?，简称LFP）电池因其长循环寿命、高安全性和良好的热稳定性而被广泛应用于科学研究和工业生产。然而，随着这些电池的大量使用，其使用寿命通常在5到8年之间，导致了大量退役电池的产生。预计到2050年，全球电动汽车数量将达到2.18亿辆，这意味着退役电池的体积将迅速增加。未处理的退役电池不仅带来安全隐患，还可能对环境造成污染，同时，这些电池中仍含有大量可回收的锂资源。因此，有效回收退役LFP电池中的锂成为推动锂离子电池可持续发展的关键环节。

传统的退役LFP电池回收方法主要包括水法冶金、火法冶金和直接再生等。水法冶金通常使用无机酸或有机酸进行浸出，以回收LFP粉末。然而，这种方法往往需要大量酸性试剂，且会产生大量废水，从而对环境造成较大影响。火法冶金则通过高温处理，将LFP粉末与熔盐一起进行高温焙烧，随后通过浸出回收金属。尽管这种方法可以有效回收金属，但其高能耗和高温操作对设备提出了更高的要求，且处理过程可能带来二次污染。直接再生方法则是通过外部锂源，补充锂离子并修复LFP粉末中的“Li-Fe”空位，以恢复其电化学性能。该方法通常采用水热再生、电化学再生等技术，但其回收效率和成本控制仍面临挑战。

近年来，深共沸溶剂（Deep Eutectic Solvents，简称DES）因其环境友好性、低挥发性和良好的热稳定性，被广泛研究用于退役电池材料的浸出。DES是一种由氢键供体和受体组成的新型绿色溶剂，其酸性对于溶解金属氧化物至关重要。大多数DES不仅具有浸出能力，还具备还原能力，能够促进高价金属氧化物的还原，降低晶格能，从而加速溶解。此外，DES在制备过程中可能溶解氧气，使其具备一定的氧化性，这与传统水法冶金中需要添加氧化剂以将Fe2?转化为Fe3?进行沉淀的工艺形成对比。通过利用DES中的氧化性，可以实现Fe的回收而无需额外添加氧化剂，同时还能在浸出后进行回收再利用，从而降低化学试剂的消耗和环境污染。

本研究提出了一种结合DES浸出和光解分离的新型退役LFP电池回收方法。该方法以乙二醇（EG）和草酸二水合物（OAD）为原料，制备了一种高效的DES，用于浸出退役电池中的正极材料。浸出后的溶液中，Fe和Li通过光解反应实现分离。在光解过程中，形成的Fe(C?O?)?3?转化为FeC?O?·2H?O沉淀，从而实现Fe的回收。随后，通过蒸发结晶的方法从滤液中回收Li，得到Li?PO?白色沉淀。该过程不仅显著提高了锂的浸出率，还实现了Fe的高效回收，同时减少了化学试剂的使用和废水的产生。

实验结果显示，在最佳浸出条件下，锂的浸出率达到99.09%，而铁的浸出率仅为1.01%。这表明，在DES浸出过程中，锂的溶解效率远高于铁。这一现象可能与锂和铁在材料中的化学状态以及DES的酸性特性有关。此外，经过三次循环使用后，DES仍能保持锂的回收率在90%以上，显示出良好的可回收性和经济性。这一特性对于实现大规模、可持续的退役电池回收具有重要意义。

光解分离技术的应用是本研究的一大创新。相较于传统的需要使用沉淀剂进行Fe和Li分离的方法，光解技术不仅简化了操作流程，还降低了对环境的污染。此外，光解过程不会干扰溶液中的锂，从而确保后续锂的回收效率。这种方法避免了传统工艺中可能引入的杂质，提高了产物的纯度，同时也降低了处理成本。

通过本研究的方法，回收的锂和铁可以用于重新合成LFP正极材料（R-LFP）。实验表明，R-LFP材料在电化学性能方面表现出良好的表现，其首次充放电容量达到128.61 mAh g?1，在1.0 C倍率下保持稳定的性能。这表明，通过DES浸出和光解分离技术回收的锂和铁，能够成功地用于制备具有实际应用价值的LFP正极材料，为退役电池的资源化利用提供了新的思路。

本研究的成果不仅为退役LFP电池的回收提供了高效、环保的解决方案，还展示了DES在绿色化学领域的广阔前景。通过合理设计和优化DES的组成和浸出条件，可以进一步提高回收效率，降低能耗，并减少对环境的影响。此外，光解分离技术的引入，使得整个回收过程更加简洁，避免了传统方法中复杂的化学步骤，为实现规模化、工业化的退役电池回收提供了技术支持。

在材料回收过程中，准确的成分分析和结构表征对于评估回收效果至关重要。本研究对退役LFP材料进行了详细的表征，包括X射线衍射（XRD）分析、扫描电镜（SEM）图像和能量色散X射线光谱（EDS）元素映射等。XRD分析确认了退役LFP材料中LiFePO?的晶相结构，而SEM图像则展示了其聚集颗粒的形态特征。EDS元素映射进一步验证了材料中Fe、P和O的分布情况，为后续的浸出和回收过程提供了重要的理论依据。

在DES的制备和性能研究方面，本研究通过分子模型分析了EG和OAD的结构特性，并结合实验数据探讨了其在浸出过程中的作用机制。结果表明，DES在较低温度下即可实现高效的锂浸出，这不仅降低了能耗，还减少了对设备的要求。同时，DES的可回收性也为实现循环利用提供了可能，进一步提升了该方法的经济性和环境友好性。

为了进一步优化回收工艺，本研究还对影响浸出效率的关键参数进行了系统研究，包括温度、时间、固液比和DES的摩尔比。通过调整这些参数，研究人员能够在较低的能耗条件下实现锂的高效回收。此外，光解反应的条件也经过优化，以确保Fe和Li的有效分离。这些优化措施不仅提高了回收效率，还为后续的工业化应用提供了重要的参考。

本研究的成果对于推动锂离子电池的可持续发展具有重要意义。通过采用DES浸出和光解分离技术，可以实现退役电池中锂和铁的高效回收，同时减少化学试剂的使用和废水的产生。这种方法不仅降低了环境风险，还为资源的循环利用提供了新的途径。此外，回收的锂和铁能够用于重新合成LFP正极材料，从而实现了材料的闭环回收，为构建绿色、可持续的电池产业体系提供了技术支持。

随着电动汽车和储能设备的快速发展，退役电池的处理问题日益突出。传统的回收方法在经济性和环境友好性方面存在明显不足，而本研究提出的方法则提供了一种更加环保、高效的替代方案。通过DES浸出和光解分离技术，不仅能够有效回收锂资源，还能实现铁的分离和再利用，从而减少资源浪费，推动绿色制造的发展。这种方法的应用将有助于降低锂资源的开采压力，缓解锂元素在全球范围内的供需矛盾，同时为电池产业的绿色转型提供了可行的路径。

在实际应用中，该方法的可扩展性和经济性是其能否大规模推广的关键因素。通过实验验证，DES在三次循环后仍能保持较高的锂回收率，表明其具有良好的稳定性和重复使用性。此外，光解分离技术的操作简单，且不需要额外的化学试剂，这使得整个回收过程更加经济可行。这些特性为退役电池的规模化回收提供了可能，同时也为相关技术的进一步优化和应用奠定了基础。

综上所述，本研究通过DES浸出和光解分离技术，提出了一种新型、高效的退役LFP电池回收方法。该方法在降低能耗、减少化学试剂使用和避免环境污染方面表现出显著优势，同时实现了锂和铁的高效回收。回收的锂和铁能够用于重新合成LFP正极材料，展现出良好的电化学性能，为退役电池的资源化利用提供了新的思路和技术支持。未来，随着相关技术的不断完善和推广，这种绿色回收方法有望在实际应用中发挥更大作用，为锂离子电池的可持续发展贡献力量。