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锂离子电池混合正极黑粉湿法回收的技术经济评估：预处理分选策略对回收效率与经济效益的影响机制
【字体： 大 中 小 】 时间：2025年09月23日 来源：Waste Management 7.1
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本研究针对报废锂离子电池(LIB)混合正极活性材料(CAM)黑粉湿法回收中存在的工艺效率低下与经济可行性问题，通过总拥有成本(TCO)模型系统评估了三种预分选情景的技术经济性能。研究发现，磷酸铁锂(LFP)黑粉会导致杂质干扰，降低浸出效率；而通过预分选去除LFP和锰酸锂(LMO)可显著提升工艺质量和经济收益。结果表明，湿法工艺不适用于LFP回收，凸显了磷酸盐体系电池专属处理策略的必要性。该研究为LIB回收产业链的优化提供了关键数据支撑，对实现关键金属的高效循环利用具有重要指导意义。
随着电动汽车和便携式电子设备的快速发展，锂离子电池（LIB）已成为现代社会低碳转型的核心技术。然而，LIB的大规模应用也带来了两大挑战：一是关键原材料（如锂、钴、镍）的供应风险日益突出；二是大量报废LIB的高效回收与循环利用问题亟待解决。目前，市场上存在至少五种主流正极活性材料（CAM），包括钴酸锂（LCO）、锰酸锂（LMO）、镍钴锰酸锂（NMC）、镍钴铝酸锂（NCA）和磷酸铁锂（LFP），这些材料在化学成分、价值及回收难度上差异显著。在实际回收过程中，报废LIB通常未经预分选便直接进入处理流程，导致黑粉（BM）成为多种CAM的混合物，为后续湿法冶金回收带来巨大技术挑战——尤其是LFP材料的引入，因其含铁、磷杂质，易造成浸出效率下降、工艺流程复杂化和最终产品纯度不足等问题。尽管欧盟新电池法规要求自2026年起对大于2kWh的电池实施电池护照制度，以提升材料成分透明度，但此前生产的大量电池及占返回量约一半的便携电池仍缺乏CAM信息，使得混合黑粉的处理成为行业现状。在这一背景下，如何通过预分选策略优化黑粉原料组成，从而提高湿法回收工艺的技术可行性和经济收益，成为学界和产业界关注的焦点。
为系统评估预分选对混合CAM黑粉湿法回收的影响，本研究设计了三类预分选情景：第一类（LIBZ1）为无预分选的混合黑粉基线 scenario；第二类（LIBZ2）首先分选出高价值的钴酸锂（LCO）黑粉（LIBZ2.1），其余材料（LFP、LMO、NMC、NCA）构成混合残余（LIBZ2.2）；第三类（LIBZ3）在LIBZ2基础上进一步将LFP与LMO分离出来（LIBZ3.1），留下高质量的NMC/NCA富集黑粉（LIBZ3.2）。研究以总拥有成本（TCO）为经济评价核心，结合净现值（NPV）分析，全面考察了不同情景下湿法回收过程的技术性能与经济效益。
在技术方法层面，研究采用了实验验证与建模分析相结合的策略。首先，通过机械破碎与热解预处理（600°C，氮气氛围）制备黑粉，利用ICP-OES（电感耦合等离子体光学发射光谱）分析其元素组成。湿法处理包括水溶提锂（利用热解生成的Li2CO3）、硫酸与过氧化氢浸出、铜置换沉淀、氢氧化沉淀除杂以及镍钴锰共沉淀等步骤。经济分析方面，构建了涵盖固定资产投资（CAPEX）、运营成本（OPEX）与产品收益的TCO模型，结合历史数据设定了固定、低位、基准和高位四种价格发展情景，并引入混合价值因子（MVF）量化产品纯度对收益的影响。
研究结果揭示了一系列重要发现。从技术性能看，LFP的存在显著降低了浸出效率，尤其在LFP质量分数超过50%或固液比高于70 g/L时，铁离子（Fe3+）的氧化作用与过氧化氢催化分解导致有价金属再氧化，铜置换过程中Fe3+还会引起Cu0重新溶解为Cu2+，造成铜杂质残留。此外，磷酸根的存在加剧了铁铝沉淀过程中的共沉淀现象，导致有价金属损失。预分选策略中，LIBZ3因有效分离LFP与LMO，显著提升了铜沉淀纯度（+195.76%）和钴氢氧化物的回收率（+5.38%），而LIBZ2由于残余黑粉（LIBZ2.2）中LFP占比过高（55.6%），其浸出与纯化效果反而差于完全混合的基线情景。
经济分析结果显示，在基准价格情景下，LIBZ1和LIBZ2的TCO均为负值（分别为-378.60 �/t和-384.99 �/t），表明回收过程难以盈利；而LIBZ3则实现正收益（200.46 �/t）。能源与材料成本占总成本的绝大部分（能源占31–40%，材料占24–33%），其中湿法冶金环节占比最高（78–86%）。敏感性分析表明，Ni/Co/Mn氢氧化物产品的MVF变化对经济结果影响最大，其盈亏平衡MVF在0.576–0.928之间；电力价格波动亦显著影响TCO，电价每变动1个百分点，TCO相应变化10.33–19.17 �/t。
研究的结论部分强调，预分选策略对混合CAM黑粉的湿法回收具有显著影响，但其效果高度依赖于分选深度与目标材料的兼容性。单纯分选出高钴材料（如LCO）而不处理LFP残余，反而会降低整体经济性；而将LFP与LMO彻底分离则可同时提升技术效率和利润水平。该结果证实了湿法工艺在处理LFP黑粉方面存在局限性，亟需开发针对磷酸盐体系电池的专属回收路线（如磷酸浸出-铁磷酸盐沉淀或直接再生）。从政策层面看，尽管电池护照制度有助于未来电池的溯源与分选，但当前仍须依靠传感器分选（如X射线透射技术）应对异构电池混合物。本研究为LIB回收产业链的流程优化与经济效益提升提供了定量依据，对推动关键金属的循环利用和电池产业的可持续发展具有重要实践意义。
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