激光诱导高温热冲击技术实现废旧锂离子电池正极材料高效回收

面对废旧锂离子电池（LIBs）中重金属污染与金属资源短缺的双重挑战，Ning Cao等研究者提出激光诱导高温热冲击策略，仅需数秒即可实现正极材料与铝箔的快速分离。该技术通过瞬时热冲击降低高价态金属氧化物（如Co3+→Co2+）、分解杂质层并产生氧空位，使0.1M HCl条件下Co/Ni/Mn浸出效率提升125-147%，0.5M HCl时金属回收率超97%。发表于《Nature Communications》的这项研究为绿色低碳回收提供了新范式。

　　

随着全球电动汽车（EVs）保有量预计在2030年达到2.4亿辆，退役锂离子电池（LIBs）正成为兼具环境风险与资源价值的"城市矿山"。传统火法冶金（Pyro）和湿法冶金（Hydro）回收工艺面临高能耗、强污染等瓶颈——火法需1600℃高温熔炼并释放HF等有毒气体，湿法则消耗大量强酸并产生废水。更棘手的是，废旧镍钴锰三元正极（S-NCM）中LiMn_0.72Ni_0.17Co_0.11O₂的高价态金属（如Mn⁴⁺/Co³⁺）在稀酸中浸出效率不足40%，表面粘结剂/导电剂形成的杂质层更严重阻碍反应动力学。

中国某研究机构（根据保密要求隐具体名称）的Ning Cao团队在《Nature Communications》发表突破性研究，开发出激光诱导高温热冲击回收技术。通过CO₂激光（功率12-27W）直接辐照正极片，仅需2.7小时即可实现活性材料与铝箔的秒级分离。同步产生的3000℃瞬时高温不仅破坏MnO₆八面体结构，还将Co³⁺还原为Co²⁺、Mn⁴⁺转化为Mn²⁺，使金属浸出反应的吉布斯自由能降低147%。透射电镜（TEM）显示激光处理后的L-45样品比表面积增至5.34 m²/g，X射线光电子能谱（XPS）证实氧空位浓度随功率提升而增加，这些特性使0.1M HCl对Co/Ni/Mn的浸出效率分别跃升至99%/97%/84%。

关键技术方法

1. 激光参数调控：采用可调CO₂激光（0-60W）扫描正极片，通过计算机精确控制功率（20-55%）和扫描速度（125-1250 mm/s）

2. 结构表征：结合X射线衍射（XRD）、X射线吸收精细结构（XANES）分析相变，电子顺磁共振（EPR）检测氧空位

3. 浸出实验：使用0.1-0.5M HCl溶液，原子吸收光谱（AAS）定量金属回收率

4. 理论计算：采用密度泛函理论（DFT）模拟氧空位对HCl吸附能的影响

研究结果

结构变化

激光处理使S-NCM的XRD特征峰（18.6°）消失，傅里叶变换红外光谱（FTIR）中618 cm^-1的MnO₆振动峰蓝移，表明八面体结构解体。当功率升至45%时，扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）显示Mn-O配位数从6降至3， wavelet变换（WT）图谱证实键长无序化。

浸出性能

在0.1M HCl中，L-45样品的Li/Co/Ni/Mn浸出效率达99%/99%/97%/84%，较未处理样品提升222%/147%/126%/140%。即使对废旧磷酸铁锂（LiFePO₄），激光处理也使Fe浸出率从42%提升至99%。

机制解析

Bader电荷分析发现氧空位使Mn原子电荷增加0.32e，差分电荷密度图显示HCl在MnOv表面的吸附能提升93%。态密度（DOS）计算表明氧空位削弱了Mn 3d与O 2p轨道耦合，促进H-Cl键断裂。

结论与意义

该研究开创性地将激光技术引入电池回收领域，通过"热冲击-结构重构-氧空位协同"三重效应，突破传统冶金工艺的局限。生命周期评估（LCA）显示，激光策略使处理成本降至1.33美元/kg，能耗（37.12 MJ/kg）仅为湿法工艺的28%，温室气体排放减少82%。结合传送带系统设计的连续化方案（Supplementary Fig. 27），为万吨级电池回收提供了兼具经济性（4.13美元/kg利润）与环境友好性的解决方案，对实现"双碳"目标具有重要实践价值。