从废弃锂离子电池中通过高产率的葡萄糖酸浸出法回收有价值金属

《Case Studies in Chemical and Environmental Engineering》：High yield gluconic acid leaching and recovery of valuable metals from End-of-Life Lithium-Ion Batteries

本研究以葡萄糖酸为环保浸出剂，通过统计学优化实现了锂、镍、钴、锰从废旧锂离子电池黑渣中高达98%以上的高效浸出，铜、铁残留率超过99%。后续采用草酸和硫化钠沉淀法，镍、钴回收率分别达99.2%和100%，锰回收率86.4%，而锂、铝主要保留在溶液中。该工艺兼具高金属回收率和环境友好性，为工业级电池回收提供新路径。

　　在当今社会，锂离子电池已经成为不可或缺的能源载体，广泛应用于移动设备、电动汽车以及可再生能源存储系统中。由于其高能量密度、低自放电率以及体积与重量的优化比例，锂离子电池逐渐成为传统化石燃料的替代品。然而，随着锂离子电池的广泛使用，其报废后的回收问题日益突出。为了满足不断增长的原材料需求以及应对电池废弃物处理能力的限制，电池回收技术的研究和应用变得至关重要。特别是在欧洲，针对锂离子电池的强制性回收标准要求到2030年底回收70%的电池材料，并且到2031年底至少回收95%的钴、铜和镍，以及至少80%的锂。这些严格的回收要求推动了对高效、环保的回收方法的探索。

目前，电池回收主要依赖于两种工业方法：火法冶金和湿法冶金。火法冶金涉及高温处理，虽然能够有效分离金属，但其过程可能产生大量的有害气体和复杂的废弃物处理问题。相比之下，湿法冶金利用化学试剂在较低温度下进行金属提取，不仅能够提高金属回收率，还能减少能耗和温室气体排放。然而，湿法冶金通常需要大量的化学品，这对环境和经济都带来了挑战。因此，研究者们开始探索更加环保的替代方案，例如有机酸作为传统的无机酸的替代物，以实现金属回收的高效与可持续。

有机酸，如葡萄糖酸，因其良好的环境兼容性、低毒性和不易产生有害气体等特性，逐渐成为电池回收研究的热点。它们不仅能够有效溶解有价值的金属，如锂、镍、钴和锰，还能够减少铜、铁和铝等非目标金属的共溶。在本研究中，通过统计优化方法，对葡萄糖酸进行测试，发现其在锂离子电池的回收过程中能够实现高达98%的提取效率。此外，研究还发现，在合适的条件下，利用草酸和硫化物作为沉淀剂，可以进一步从溶液中选择性地回收镍、钴和锰，同时保持锂和铝在溶液中。草酸的高选择性使其能够在较低的pH值下实现99%、100%和86%的回收率，而硫化物沉淀在pH值为4时也能达到97%和98%的回收率。这些结果表明，有机酸不仅能够有效提取金属，还能通过合理的沉淀方法实现高效回收。

本研究进一步探讨了葡萄糖酸与传统沉淀方法的结合使用，以实现更高的回收效率和更好的选择性。通过系统的实验设计和数据分析，研究者们发现，尽管在葡萄糖酸溶液中存在复杂的化学相互作用，但结合草酸和硫化物沉淀的方法能够实现高效率和高纯度的金属回收。此外，研究还强调了在回收过程中优化参数的重要性，包括酸浓度、氧化剂用量、温度、时间和固液比等，这些参数对金属的溶解和沉淀效率具有显著影响。通过调整这些参数，可以实现对目标金属的高效提取，同时最大限度地减少非目标金属的共溶。

在实验过程中，研究人员采用了统计分析软件MODDE 13，通过设计不同的实验方案来优化金属提取和沉淀过程。例如，在优化提取过程中，通过调整氢氧化物的用量和反应时间，研究人员成功实现了对锂、镍、钴和锰的高提取率。在沉淀实验中，通过改变草酸和硫化物的浓度、反应时间和pH值，研究人员能够评估不同条件下的回收效率和选择性。这些实验结果表明，草酸和硫化物沉淀方法在不同的参数设置下能够实现不同程度的金属回收，但同时也需要权衡选择性和回收率之间的关系。

此外，研究还利用扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）对沉淀产物进行了分析，发现沉淀物中存在碳和氧的重叠，表明金属可能与有机成分结合。这些有机成分的存在对沉淀物的纯度和后续处理提出了挑战，因此需要进一步研究以确定这些有机成分的来源和性质，并开发相应的处理技术。通过这些研究，可以更好地理解有机酸在提取和沉淀过程中的作用，并为未来的工业应用提供理论支持和技术指导。

总的来说，本研究展示了葡萄糖酸及其与其他有机酸和硫化物的结合在锂离子电池回收中的巨大潜力。通过优化提取和沉淀参数，研究人员能够实现高效率和高选择性的金属回收，这不仅有助于满足严格的环保和经济要求，也为未来的电池回收技术提供了新的方向。未来的研究应进一步探索生物来源的葡萄糖酸和替代的还原剂在提取过程中的应用，以提高回收效率并减少化学物质的使用。同时，还需要对沉淀产物进行更详细的分析，以确保其纯度和适用性。这些研究不仅对电池回收行业具有重要意义，也为可持续资源管理和环境保护提供了新的解决方案。