废旧锂离子电池与高镍锍协同焙烧的金属回收机制及增效作用研究

为解决废旧锂离子电池（LIBs）中锂（Li）与过渡金属（Ni、Co、Mn）高效选择性回收难题，研究人员创新性地提出以高镍锍（nickel matte）为还原剂和硫酸化剂，通过协同焙烧（co-roasting）实现Li2SO4的选择性转化（99.98%回收率）及过渡金属氧化物的定向富集。该工艺简化了传统湿法冶金流程，为城市资源循环与高镍锍精炼提供了可持续路径，具有显著工业潜力。

　　

随着全球电动汽车（EV）销量在2023年突破1400万辆，废旧锂离子电池（LIBs）的堆积问题日益严峻。这些“城市矿山”虽富含锂（Li）、镍（Ni）、钴（Co）等战略金属，但传统回收工艺存在锂流失严重、酸碱消耗大等痛点。更棘手的是，高镍锍（nickel matte）精炼过程中硫化物残留导致的镍损失问题长期困扰冶金行业。面对双重挑战，中国某研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表研究，开创性地将两类废弃物“一锅处理”——通过843°C协同焙烧，让高镍锍分解产生的SO₂定向硫酸化锂，同时使过渡金属锁定为NiO/MnCo₂O₄，破解了选择性提取与资源整合的难题。

研究采用热力学模拟、原位表征（如X射线衍射）及分步浸出实验三大技术，样本来源于中国电池回收企业提供的黑粉（black mass）及材料公司的高镍锍。

【Thermodynamic analysis】相图计算揭示800°C下Li优先形成Li₂SO₄，而Ni₃S₂氧化释放的SO₂是硫酸化驱动力；【Phase evolution】原位XRD证实Ni₃S₂→NiO转化与Li₂SO₄生成同步发生；【Leaching performance】水浸阶段Li回收率近100%，过渡金属溶出率<0.1%，酸浸可进一步回收98.5%的Ni/Co/Mn。

结论表明，该工艺通过“硫氧耦合”机制（SO₂-mediated sulfation）实现锂的高效捕获，同时将高镍锍中的硫转化为可浸出形态，使镍回收率提升12%。讨论指出，此方法避免了强酸腐蚀设备问题，且无需引入钠离子（Na⁺）干扰后续提锂，为EV产业链的闭环管理提供了新范式。研究获中国国家自然科学基金（52274413）和湖南省自然科学基金（2021JJ30854）支持，通讯作者为Yu Dawei和Guo Xueyi。