综述：利用电化学技术从废弃锂离子电池中可持续回收金属：方法综述

《MethodsX》：Sustainable metal recovery from spent lithium-ion battery using electrochemical technique: A comprehensive method review

本文系统分析锂离子电池电化学回收（ECR）技术，通过专利分析揭示其高效回收关键金属（锂、钴、镍等）的优势，如高选择性、能耗低及电解液再生等，同时指出过程复杂性、膜污染及规模化难题，并提出未来需优化电极材料、提高膜稳定性及降低能耗，以推动循环经济发展。

　　随着全球对可再生能源和电动交通工具的需求不断上升，锂离子电池（LIBs）已经成为现代生活中不可或缺的一部分。然而，这些电池在使用一段时间后会逐渐老化，成为电子垃圾的一种重要形式。如何高效、可持续地回收这些废旧电池中的关键金属，已成为全球关注的焦点。电池中含有大量稀缺资源，如锂、钴和镍，这些资源的开采不仅成本高昂，而且对环境造成了巨大负担。因此，发展有效的回收技术对于资源循环利用和环境保护具有重要意义。

在众多回收技术中，电化学回收（ECR）因其环保性、资源利用率高以及技术可行性而受到越来越多的关注。电化学回收是一种通过控制电化学反应，将废旧电池中的金属从复杂的废物流中分离并提取出来的方法。它能够实现高纯度金属的回收，同时减少化学试剂的使用，降低了对环境的影响。然而，这一技术也面临诸多挑战，如多元素系统的处理复杂性、强腐蚀性溶剂的使用、膜污染以及技术的可扩展性等。这些问题需要进一步的研究和改进，以确保电化学回收技术能够在实际应用中发挥其最大潜力。

为了全面评估电化学回收技术的发展现状，本文对美国专利数据库中的相关专利进行了系统分析。通过使用多种关键词进行搜索，如“Electrostatic AND Separation AND of AND Lithium AND Ion AND Batteries”、“Electrochemical AND Leaching AND of AND Lithium AND Ion AND Batteries”等，研究人员收集了大量相关专利数据。这些专利不仅涵盖了电化学回收的不同方法，如电沉积、电凝聚、电化学浸出等，还展示了该技术在不同应用场景下的创新性和适用性。此外，还对这些专利的引用次数、技术新颖性、潜在优势以及局限性进行了深入分析。

从专利数据来看，美国是电化学回收技术的主要创新国家。到2025年1月，美国在该领域拥有262,008项专利，这表明该国在电化学回收技术的研发和应用方面处于领先地位。然而，尽管专利数量众多，其中许多专利在实际应用中仍面临一些关键问题。例如，一些专利涉及复杂的处理步骤，增加了工艺的复杂性和成本。此外，膜污染问题在多个专利中被提及，这不仅影响回收效率，还增加了维护成本。因此，开发高效、耐用的膜材料是未来研究的一个重要方向。

在对15项高引用专利的分析中，可以看出电化学回收技术的多种应用形式。例如，一项专利提出了一种通过电解方式从锂盐溶液中回收高纯度锂的方法，其优势在于减少了化学试剂的使用，并提高了回收效率。然而，该方法需要多步处理，包括提纯、pH调节、离子交换和电解等，这在一定程度上限制了其大规模应用的可能性。另一项专利则通过使用离子交换膜，实现了对锂离子的高效分离，但这种方法对膜的性能和稳定性提出了更高要求，同时也可能产生含氯的副产物，需要进一步的处理。

此外，一些专利探讨了电化学回收技术在不同材料中的应用，如锂铁磷酸盐（LiFePO4）电池的回收。这些专利通常结合了电化学浸出和电沉积等技术，以提高金属的回收率。然而，这些方法也存在一定的局限性，例如需要特定的条件和材料，且对操作参数（如电流密度、温度、pH值等）的控制要求较高。因此，未来的研发应注重优化这些参数，以提高工艺的稳定性和经济性。

近年来，电化学回收技术的专利数量显著增加，特别是在2018年之后，这表明该技术正在受到越来越多的关注。专利的增加反映了研究人员和技术开发者的努力，旨在开发更高效、更环保的回收方法。例如，一些专利提出使用高纯度电解液和新型电极材料，以提高金属的回收率和纯度。同时，还有一些专利关注于回收过程中产生的废物处理问题，例如通过电解回收产生的氯气和氢气可以进一步转化为有用的化学品，从而减少废物排放。

然而，尽管电化学回收技术在理论上具有诸多优势，其实际应用仍面临一些挑战。首先，电化学回收技术通常需要较高的能量输入，这在一定程度上增加了其成本。其次，处理过程中可能产生高浓度的腐蚀性废物，需要额外的处理步骤。此外，膜污染问题在多个专利中被提及，这不仅影响回收效率，还增加了维护成本。因此，未来的研究需要在这些方面进行改进，以提高电化学回收技术的可行性和经济性。

从经济角度来看，电化学回收技术的实施需要大量的资本投入，包括建设回收设施、购买设备以及维护运营成本。尽管如此，随着技术的不断进步和成本的逐步降低，电化学回收有望成为一种经济可行的解决方案。例如，一些专利提出使用可再生能源为回收过程供电，这不仅降低了能源成本，还减少了碳排放，符合可持续发展的目标。此外，一些专利还探讨了如何通过优化工艺流程和材料选择，提高回收效率并减少废物产生。

在环境方面，电化学回收技术的优势在于其能够减少对环境的污染。相比传统的化学回收方法，电化学回收减少了对强酸、强碱等有害化学品的依赖，降低了二次废物的生成。此外，通过回收废旧电池中的金属，可以减少对自然资源的开采，从而降低采矿活动对生态系统的破坏。然而，电化学回收过程中仍需处理一些副产物，如氯气、氢气等，这些副产物的处理成本也需要考虑。

从技术发展趋势来看，电化学回收技术正朝着更加高效、环保和经济的方向发展。例如，一些专利提出使用新型电极材料，如高表面积电极，以提高金属的回收率。同时，研究人员也在探索如何通过优化电化学反应条件，如电流密度、电解液组成和操作温度，来提高回收效率。此外，一些专利还关注于如何通过电化学方法回收多种金属，而不仅仅是单一金属，这有助于提高资源利用率。

总的来说，电化学回收技术在废旧锂离子电池的金属回收方面展现出了巨大的潜力。然而，要实现其大规模应用，还需要解决一系列技术难题，如提高膜的性能、降低能耗、减少废物产生等。此外，还需要加强技术研发，以开发更加经济和环保的回收流程。通过持续的研究和创新，电化学回收有望成为未来电池回收的重要手段，为实现资源循环利用和可持续发展做出重要贡献。