生物质单组分调控热解协同水浸法高效选择性回收废旧锂离子电池中的锂

为解决废旧锂离子电池回收过程中的环境风险问题，研究人员创新性地利用生物质单组分（纤维素、半纤维素和木质素）热解产生的还原性气体（H2、CO）协同水浸法，实现了三元正极材料的结构裂解和高价金属氧化物（镍、钴、锰氧化物）的金属态还原，锂浸出率超过90%。该技术通过建立生物质组分-性质数据库优化回收策略，经济环境分析显示可显著降低能耗和温室气体排放，为新能源行业可持续发展提供绿色低碳解决方案。

　　

随着"碳达峰"和"碳中和"目标的推进，锂离子电池作为电动汽车和电网储能的核心部件迎来爆发式增长。然而这些电池平均3-10年的短寿命周期，导致到203年全球退役量预计超1100万吨，催生出237亿美元规模的回收市场。传统回收方法面临严峻挑战：生物冶金法微生物培养苛刻，湿法冶金产生高盐废水，火法冶金能耗高且污染大。特别是镍钴锰(NCM)三元电池中高价金属氧化物的高效分离，成为制约行业可持续发展的技术瓶颈。

针对这一难题，中国博士后科学基金等项目支持的研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表创新成果。研究采用热重-差示扫描量热(TG-DSC)、X射线光电子能谱(XPS)和扫描电镜(SEM)等技术，系统分析了纤维素、半纤维素和木质素三种生物质单组分在600℃热解时产生的还原性气体(H₂/CO)对NCM材料的还原机制。通过建立Everbatt模型进行经济环境效益评估，对比了传统火法冶金与生物质还原法(GRR)的差异。

材料制备
研究选用广西某电池回收公司的退役三元电池，经盐水放电处理后手工拆解获得正极材料。将材料切割成2×2 cm片状，在马弗炉中与三种生物质组分按不同配比混合焙烧。

热力学分析
HSC Chemistry 9.0软件模拟显示，木质素热解产生的还原气体在600℃时可将LiNi_xCo_yMn_zO₂转化为金属态Ni/Co和MnO，同时生成水溶性Li₂CO₃。相比纤维素和半纤维素，木质素在1:0.25配比下表现出最优还原效率。

机理分析
SEM观测发现，木质素处理后的正极材料呈现多孔结构，金属颗粒明显暴露。XPS证实镍钴锰氧化物被还原为单质态，而XRD检测到Li₂CO₃特征峰，这为后续水浸提锂创造了条件。

经济与环境分析
基于阿贡国家实验室Everbatt模型的测算表明，相比传统湿法冶金，生物质还原法可降低38%能耗和52%温室气体排放。以松木屑为还原剂时，每吨电池处理成本减少215美元。

结论
该研究首次系统阐明了生物质单组分在锂电回收中的作用机制，证实木质素在低温(600℃)、低用量(1:0.25)条件下可实现90%以上的锂选择性浸出。通过建立生物质组分数据库，为不同正极材料定制了优化回收方案。这种将生物质能源转化与金属回收耦合的创新策略，不仅解决了传统方法的高污染难题，更开创了"以废治废"的循环经济新模式，对推动新能源产业可持续发展具有重要实践意义。