闪热焦耳法同步回收锂与构建高效析氧催化剂实现三元正极材料全循环

为解决废旧三元锂电池正极材料传统回收工艺效率低、流程复杂的问题，研究人员创新性地采用闪热焦耳加热（FJH）技术，实现锂的选择性提取（回收率95.89%）与过渡金属原位转化为高性能析氧反应（OER）催化剂（过电位低至257 mV vs. RHE）。该策略兼具经济性与环境友好性，为电池回收提供了新范式。

　　

随着电动汽车产业爆发式增长，锂离子电池（LIBs）正面临退役潮的严峻挑战。预计到2030年，全球将有1100万吨废旧LIBs亟待处理，其中富含锂、镍、钴、锰的三元正极材料（LiNi_1-x-yCo_xMn_yO₂，简称NCM）若处置不当，将造成资源浪费与环境污染双重危机。传统火法冶金（Pyro）和湿法冶金（Hydro）回收工艺存在锂挥发损失大、多步分离效率低等缺陷，而直接转化法又往往忽视锂的同步回收。针对这一行业痛点，中国科学院的研究团队在《Resources, Conservation and Recycling》发表突破性成果，开发出基于闪热焦耳加热（Flash Joule Heating, FJH）的一步法策略，实现废旧NCM正极材料中锂的高效提取与过渡金属的高值化利用。

研究团队采用硫酸/抗坏血酸（LAA）体系浸出NCM811正极粉体，通过FJH技术在碳纸上实现瞬时热冲击（>2000 K/s），使锂转化为可溶性化合物，而镍钴锰则形成具有催化活性的亚稳态纳米颗粒。后续水浸过程可回收95.89%的锂，剩余固体经表面重构形成自支撑多金属氢氧化物催化剂（NCM-OH）。

Results and discussion

1. 选择性锂提取机制：FJH过程中LAA衍生的碳创造还原氛围，促使锂以Li₂CO₃形式富集，而过渡金属形成合金纳米颗粒。瞬态高温（3000 K）与快速淬灭抑制了锂挥发，X射线衍射（XRD）证实了Li₂CO₃的独家生成。
2. 催化剂结构表征：透射电镜（TEM）显示NCM-OH表面覆盖厚度约5 nm的Ni_1-x-yCo_xMn_y(OH)₂·0.75H₂O纳米片，X射线光电子能谱（XPS）证实Co/Mn掺杂优化了电子结构。
3. OER性能突破：在1.0 M KOH中，NCM-OH达到10 mA/cm²电流密度仅需257 mV过电位，优于商用IrO₂催化剂。密度泛函理论（DFT）计算表明Co/Mn协同增强M-O电荷转移，降低反应能垒。

Economic and environmental analysis
与传统方法对比，该工艺成本降低14%（4.32美元/kg NCM811），碳排放减少23%。生命周期评估（LCA）显示其全球变暖潜能值（GWP）较火法降低68%。

Conclusions
该研究开创了"回收-催化"联产的闭环模式：通过FJH实现锂的高效回收（>95%）与过渡金属的原子级精准调控，所得NCM-OH催化剂的OER活性媲美贵金属基准。技术经济分析证实其规模化应用潜力，为解决电池回收领域"锂损失"与"过渡金属低值化"两大难题提供了教科书级范例。研究团队特别指出，该方法可适配不同NCM组分（如NCM622/NCM523），为退役动力电池的绿色升级开辟了新航道。