激光驱动硅热还原法实现锂离子电池低碳排放火法回收新策略

针对锂离子电池负极从石墨转向硅的技术趋势，研究人员创新性地提出采用硅作为还原剂的低碳火法回收方法。通过差热分析和热重分析研究LiCoO2与Si反应机制，结合激光辅助工艺（2 kW/30 s）成功将LiCoO2还原为Co-Si合金，仅产生少量Li2SiO3和Li2Co(SiO4)炉渣。该研究为下一代电池回收提供了可持续解决方案，碳足迹较传统碳热还原降低50%。

　　

随着电动汽车和便携式电子设备的爆发式增长，锂离子电池(LIBs)的报废量正以惊人速度攀升。传统火法回收工艺依赖碳热还原，虽能有效回收阴极金属，却伴随着大量CO₂和有毒CO排放。更棘手的是，电池技术本身正在经历革命性变革——硅基负极因其超高容量正逐步取代石墨，这意味着未来回收的"黑粉"将是硅/石墨与金属氧化物的混合体。面对这种技术迭代与环保需求的双重挑战，加拿大自然资源部资助的研究团队在《Journal of Hazardous Materials Letters》发表突破性成果，开创性地将硅作为还原剂引入激光辅助回收系统。

研究团队采用差示热分析(DTA)和热重分析(TGA)解析LiCoO₂(LCO)与Si的反应热力学，通过扫描电镜(SEM)、能谱(EDS)和X射线衍射(XRD)表征产物。激光回收实验使用2 kW功率激光器在石墨坩埚中进行，氩气保护下分别设置10/20/30秒处理时间。

热稳定性与反应机制
LCO在1100-1200°C区间同步发生熔融分解，伴随2%重量损失，生成Li₂O、CoO和Li_xCo_1-xO固溶体。硅热还原在1000°C即触发放热反应，产物为金属钴球、Li₂SiO₃和Li₂Co(SiO₄)，热力学计算显示该反应ΔG°(T)=-1268.75-0.2234T，全程自发进行。

激光回收动态演变
10秒处理形成嵌有钴球的蓝色炉渣，重量损失7.5%；20秒时钴球聚集成5.5mm单球，出现石墨析出物；30秒后炉渣进一步减少，合金中析出20μm SiC颗粒。XRD显示随处理时间延长，LCO完全分解，硅全部参与合金化，未检出游离硅。

碳减排与工艺优势
纯硅热还原理论重量损失仅8.2%，实测值7.5%，远低于碳热还原的15%。即便石墨参与二次还原（模拟硅-石墨负极回收），总排放仍降低50%。生成的Co-Si合金可直接用于冶金工业，Li₂SiO₃可作为高温CO₂吸附剂，Li₂Co(SiO₄)本身还是高能量密度阴极材料。

这项研究首次证实硅在LIBs火法回收中的核心价值：既顺应电池材料迭代趋势，又实现工艺减排。激光技术的引入使反应时间缩短至秒级，配合石墨坩埚形成的"硅热-碳热协同还原"机制，为处理未来混合型废电池提供了可扩展方案。该成果不仅推动回收技术向碳中和目标迈进，更开创了"以废治废"的新范式——用退役太阳能板的硅材料回收电池，形成真正的闭环经济。