废旧锂离子电池中战略性材料的高效回收：基于实验设计方法的优化研究

为解决废旧锂离子电池（LIBs）中钴（Co）、镍（Ni）、锂（Li）、锰（Mn）和石墨等战略性材料的回收难题，研究人员通过实验设计方法优化了酸浸工艺。研究对比了无机酸（H2 SO4 、HCl、HNO3 ）和有机酸（葡萄糖酸、草酸、柠檬酸）的浸出效率，发现葡萄糖酸在优化条件下（1 N浓度、75 °C、24 h）可实现Co 93%、Li 98%、Ni 86%、Mn 97%的高回收率，同时从浸出残渣中获得了高纯度（91-96%石墨化度）的石墨。该研究为不同来源电池的定向回收提供了环保高效的解决方案，兼具工程应用与环境友好性。

　　

随着全球能源转型加速，锂离子电池（LIBs）在电动汽车、电子设备等领域的需求激增，但随之而来的废旧电池处理问题日益严峻。这些电池富含钴、镍、锂等战略性金属，其原生矿开采伴随环境破坏和人权问题，而传统火法回收能耗高且无法回收锂。更棘手的是，不同应用场景的电池（如电动汽车、笔记本电脑、电动工具）其金属组成差异显著，现有研究多针对单一电池类型，缺乏普适性回收方案。此外，石墨作为阳极关键材料，其回收常被忽视。

针对这些问题，来自国内某研究机构的研究人员开展了一项系统性研究，通过实验设计方法优化酸浸工艺，实现了多类型废旧LIBs中金属与石墨的高效协同回收。研究成果发表在《Journal of Hazardous Materials Advances》上，为电池回收行业提供了兼具精准性与环保性的技术路线。

研究团队采用X射线衍射（XRD）和原子吸收光谱（AAS）对四种不同来源的电池黑粉（BM-EV、BM-C、BM-T、BM-PB）进行表征，明确其金属含量和物相组成。通过3³
因子实验设计（时间、温度、料液比）优化硫酸和葡萄糖酸的浸出条件，并探究酸浓度和H₂
O₂
添加的影响。浸出残渣通过XRD和CHN元素分析评估石墨回收效果。

黑粉表征揭示组成差异
分析显示，电动汽车电池（BM-EV）富含镍（13.2%），而笔记本电脑电池（BM-C）钴含量高达24.3%。XRD检测到LiNi_x
Mn_y
Co_z
O₂
（NMC）混合氧化物相和石墨特征峰（2θ=26.5°），为后续定向回收奠定基础。

酸浸效率与机制解析
无机酸因完全解离特性表现优异：H₂
SO₄
对BM-C的Co浸出率达70%，而有机酸中葡萄糖酸脱颖而出，对BM-EV的Ni回收率达75%。草酸凭借与Li⁺
形成可溶性Li₂
C₂
O₄
的特性，实现80%锂选择性回收。机理研究表明，无机酸通过质子攻击破坏M-O键，而葡萄糖酸通过形成金属-葡萄糖酸盐络合物促进溶解。

实验设计驱动工艺优化
3³
因子设计表明温度和时间为关键变量（贡献度>95%）。最优条件（75 °C、24 h、10 g/L）下，葡萄糖酸+H₂
O₂
（0.5 g/g）使Co浸出率从36%提升至93%。响应面分析显示，中等料液比（10 g/L）平衡了传质效率与废水产生量。

石墨回收与环保优势
浸出残渣中石墨纯度达77-82%，石墨化度91-96%，满足电池级要求。环境评估指出，葡萄糖酸因其生物可降解性和低毒性，较硫酸减少致癌风险和臭氧消耗。

该研究创新性地建立了针对不同电池类型的"定制化"回收策略：高钴电池优选硫酸/葡萄糖酸，高镍电池适用葡萄糖酸，锂选择性回收推荐草酸。通过实验设计量化工艺参数影响，为工业化放大提供理论支撑。回收的高纯度石墨可替代高耗能的天然/合成石墨，形成闭环产业链。研究团队强调，未来需开发更绿色的还原剂替代H₂
O₂
，并优化下游金属分离工艺，以全面提升回收经济性。这项工作为全球电池回收行业提供了兼顾效率与可持续性的技术范本，对保障关键材料供应链安全具有重要意义。