闭环回收再生技术实现废旧LiFePO4正极材料的高效资源化利用

为解决锂离子电池(LIBs)退役潮带来的环境压力与资源浪费问题，德累斯顿工业大学研究团队创新开发了LiFePO4/C正极材料的闭环回收工艺。通过氧化煅烧-磷酸溶解-水热结晶-溶剂萃取多步联用技术，实现铁、锂、磷元素近定量回收（Fe 99%，Li 93%），再生材料展现优异电化学稳定性（200次循环容量保持率94%）。该研究为LFP电池可持续循环提供全流程解决方案，兼具经济与环境效益。

　　

随着全球新能源汽车产业爆发式增长，锂离子电池(LIBs)退役量即将迎来井喷。其中磷酸铁锂(LiFePO₄/LFP)电池因安全性高、成本低，市场份额预计2026年将达47%。但现有回收技术多聚焦含钴、镍的高价值正极，对LFP的回收仍面临三大难题：传统湿法冶金产生大量废酸、铁锂分离不彻底、再生材料性能劣化。更棘手的是，LFP正极中6%的残碳导致材料疏水，直接酸浸效率不足60%。

德累斯顿工业大学（Technische Universit?t Dresden）的研究团队在《Review of Materials Research》发表突破性成果，开发出全闭环LFP回收再生技术。通过550°C氧化煅烧破除碳屏障，采用60wt.% H₃PO₄实现铁锂同步溶解（效率达99%），创新性引入氧微泡氧化技术将残余Fe²⁺转化为Fe³⁺，再通过160°C水热结晶获得高纯FePO₄·2H₂O。溶剂萃取体系（环己醇/磷酸三丁酯/Escaid 110）实现磷酸循环利用，最后与Li₃PO₄经固相法再生出电化学性能优异的LFP材料。

关键技术包括：1）热重分析优化煅烧条件；2）ICP-OES监控金属浸出率；3）微泡氧化系统实现Fe²⁺高效转化；4）水热反应器控制结晶相纯度；5）多级逆流萃取回收磷酸；6）XRD/FT-IR/SEM等表征再生材料结构。

【3.1 废正极材料分析】

原始LFP含28.6wt.%Fe、3.9wt.%Li及6%残碳，激光散射显示平均粒径25.6μm。热重分析证实550°C煅烧可降碳至0.36wt.%，解决材料疏水难题。

【3.2 煅烧与酸浸】

优化参数表明60wt.% H₃PO₄在40°C、固液比1:4时，锂浸出率从60%提升至93%。温度超过70°C会引发FePO₄·2H₂O过早沉淀。

【3.3 氧化与结晶】

氧微泡技术30分钟内将Fe²⁺残留降至0.07%。160°C水热5天所得FePO₄·2H₂O纯度达99%，XRD与标准卡片（98-431-8789）完美匹配。

【3.4 磷酸与锂回收】

CH:TBP:Escaid 110（20:60:20）体系实现70%磷酸回收率，锂共萃取仅5%。调节pH>10后获得Li₃PO₄（XRD匹配96-901-2822），杂质铝铜钙去除率>99%。

【3.5 材料与介质回用】

再生LFP经450-750°C碳热还原后，XRD显示典型橄榄石结构（96-210-0917），EDX证实无杂质。回收磷酸重复使用仍保持93%锂浸出率，有机相循环5次后萃取效率稳定在59%。

【3.6 电化学测试】

再生材料展现典型两相转变特征，1C循环200次容量保持率94%，极化电压低于原始样品。虽因粒径增大（32.8μm）导致初始容量略低，但5C倍率性能反超，EIS显示更低阻抗。

该研究构建了LFP回收-再生-应用的完整闭环：1）创新微泡氧化替代传统H₂O₂氧化剂，避免杂质引入；2）溶剂萃取实现磷酸循环利用，较现有工艺减少90%废酸排放；3）再生材料电化学性能媲美商业产品。未来通过优化粒径控制与碳包覆，可进一步提升倍率性能。这项技术为LFP电池大规模退役后的绿色处理提供工业化解决方案，推动锂电产业可持续发展。