废旧锂离子电池正极高值金属升级回收制备FeCuNiCoMn高熵合金的创新策略

本文提出了一种通过碳热还原-水浸-焦耳加热合金化的创新工艺，成功将废旧三元锂离子电池（LIB）正极材料中的有价金属转化为高附加值FeCuNiCoMn高熵合金（HEA）。该研究实现了锂的选择性提取（效率达88%）与过渡金属的高效还原，克服了传统CrAlNiCoMn体系难熔融与CrFeNiCoMn体系元素偏析的难题，为固废资源化与高值化利用提供了新范式。

　　

Highlight

通过向全组分热解混合物中掺杂15wt%碳黑，我们成功将废旧LiNiCoMnO₂（LNCM）正极材料中的镍、钴和锰高效还原为单质Ni、Co以及MnO，同时将锂转化为水溶性Li₂CO₃。后续浸出试验表明，锂的提取效率高达88%。初步尝试替代性高熵合金成分时发现显著缺陷：CrAlNiCoMn体系因铝氧化为Al₂O₃导致熔融性差，而CrFeNiCoMn合金则因不利的混合焓效应表现出明显的元素偏析。为解决这些问题，我们引入铁和铜构建了五元FeCuNiCoMn合金体系，并对混合物进行焦耳加热合金化处理。在2000℃持续10秒的条件下，所得FeCuNiCoMn合金表现出致密的表面形貌和均匀分布的元素组成，未观察到任何明显偏析。该方法实现了从废旧锂离子电池中高效回收有价金属并成功制备出高熵合金，从而为固废的资源导向和高附加值利用提供了可行路径。

结论

通过向废旧LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂（LNCM）正极材料的全组分热解中引入碳黑，有效还原了镍、钴和锰元素，同时将锂转化为水溶性Li₂CO₃。随后通过水浸从材料中分离出碳酸锂，在最优条件下锂的浸出效率高达88%。当碳黑过量使用时（C:15%），镍、钴和锰分别被还原为单质镍、单质钴和MnO。