自驱动醛醇缩合反应实现从废弃锂金属阳极中高效回收高纯度Li?CO?

《Joule》：Self-driven aldol condensation enabling high-purity Li 2CO 3 recovery from spent lithium metal anodes

提出一种使用含微量水的商业丙酮回收锂金属负极的方法，通过分步反应生成高纯度Li2CO3（99.79%），用于制备NMC622阴极材料，性能优于商用Li2CO3，方法安全、可扩展。

　　这项研究提出了一种新的方法，用于回收使用后的锂金属电池（Li-metal batteries, LMBs）中的锂金属负极（spent Li-metal anodes, S-LMAs）。随着对长续航电动汽车和耐用便携电子设备的需求不断增长，锂金属电池因其超高比容量（3,860 mAh g?1）和潜在的高能量密度（可达现有锂离子电池的两到三倍）而受到广泛关注。然而，这些电池在商业化过程中面临的一个重要挑战是回收困难，尤其是使用后的锂金属负极由于其高反应性，使得现有的回收方法难以有效应用。

锂金属负极在电池循环过程中会形成锂枝晶，这不仅影响电池的性能和寿命，还增加了回收过程中的安全隐患。传统的回收方法通常依赖于高温处理、溶剂浸出或直接修复电极，但这些方法在处理高反应性的锂金属负极时存在诸多限制。例如，使用水或氢氧化物进行反应会导致剧烈的放热反应，可能引发氢气的产生和爆炸风险，这使得大规模应用变得不可行。此外，现有的一些研究多集中于未形成锂枝晶的初级锂金属电池，而非用于回收的高反应性锂金属负极，这进一步限制了相关技术的适用性。

为了解决这一问题，研究团队提出了一种新的回收策略，利用商业丙酮（含水分小于1.00 wt%）作为溶剂。丙酮是一种非质子性溶剂，对锂金属具有较低的反应活性，而其中微量的水分则在反应过程中起到了关键作用。具体而言，使用后的锂金属负极首先与微量水分发生反应，生成氢氧化锂（LiOH），这一过程有效消耗了锂枝晶，降低了负极的表面活性，从而减少了安全风险。随后，生成的LiOH催化丙酮的缩合反应，生成低浓度的二丙酮醇（DAA，浓度低于5 mol%）。DAA的生成进一步促进了锂金属负极与溶剂的反应，同时推动了DAA的形成，实现了锂金属负极的完全转化。

这种方法的关键在于通过控制反应条件，使得整个回收过程既安全又高效。首先，使用丙酮作为主要溶剂，其化学惰性降低了锂金属与溶剂之间的直接反应速率，避免了高温和剧烈放热带来的安全隐患。其次，微量水分的引入使得LiOH的生成成为可能，LiOH在反应过程中起到了催化剂的作用，促进了丙酮的缩合反应，从而提高了DAA的产率。DAA的生成不仅有助于锂金属负极的进一步反应，还能通过其自身的化学特性，帮助去除锂金属负极表面的有机锂化合物，这些化合物在高温或高压条件下容易分解，导致安全问题。

通过这种方法，研究团队成功地从使用后的锂金属负极中回收了高纯度的碳酸锂（Li?CO?），其纯度达到了99.79 wt%，超过了电池级标准（99.50 wt%）。回收的碳酸锂随后被用于合成锂镍锰钴氧（LiNi?.?Mn?.?Co?.?O?，简称NMC622）正极材料。实验结果表明，使用回收的碳酸锂合成的NMC622正极材料在电化学性能上略优于使用商业碳酸锂合成的正极材料，这证明了该方法在实际应用中的可行性。

这一方法的优势不仅在于其安全性，还在于其可扩展性和经济性。丙酮是一种广泛使用的溶剂，成本相对较低，且其处理过程不需要高温或高压条件，使得该方法在工业生产中具有较高的可行性。此外，该方法的反应过程是自驱动的，即在LiOH的催化下，丙酮的缩合反应不仅促进了DAA的生成，还进一步推动了锂金属负极的转化，使得整个回收过程更加高效。这种自驱动的机制减少了对额外能源或设备的需求，从而降低了整体成本。

从环保角度来看，该方法为锂金属电池的回收提供了一种新的思路。锂金属电池的广泛使用意味着其报废后的处理问题日益突出，而传统的处理方法往往无法有效应对。使用丙酮作为溶剂，结合微量水分的引入，不仅能够安全地回收锂金属，还能有效去除其他有害物质，从而减少对环境的污染。此外，该方法还可以扩展到其他基于碱金属的电池，如钠金属电池或钾金属电池，这些电池同样面临类似的回收挑战。

研究团队还指出，该方法的可行性不仅体现在实验室阶段，还具有实际应用的潜力。通过调整反应条件，如控制水分含量、优化丙酮的浓度以及选择适当的催化剂，可以进一步提高回收效率。此外，该方法还可以与其他电池回收技术相结合，形成更加完善的回收体系。例如，将该方法与现有的锂离子电池回收技术相结合，可以实现对整个电池系统的高效回收，从而提高资源利用率。

在实际应用中，该方法的可扩展性尤为重要。锂金属电池的商业化意味着其生产规模不断扩大，而相应的报废数量也在增加。因此，需要一种能够适应大规模生产的回收方法。丙酮作为一种常见的工业溶剂，其供应充足且易于储存，使得该方法在大规模应用中具有较高的可行性。此外，该方法的反应过程不需要复杂的设备或严格的条件，使得其在实际操作中更加简便。

从经济角度来看，该方法的低成本和高效性使其在电池回收领域具有显著优势。丙酮的价格相对较低，且其处理过程不需要高温或高压条件，从而减少了能源消耗和设备投资。此外，回收的碳酸锂可以用于合成新的正极材料，这不仅提高了资源利用率，还减少了对新锂资源的需求，从而降低了整体成本。这种循环经济模式对于推动可持续发展具有重要意义。

总的来说，这项研究提出了一种安全、高效且经济的锂金属电池回收方法，利用商业丙酮中的微量水分进行反应，从而实现锂金属负极的完全转化。该方法不仅解决了传统回收方法在处理高反应性锂金属负极时的安全问题，还提高了回收效率和资源利用率。通过这种方法，锂金属电池的回收变得更加可行，为未来大规模应用提供了重要的技术支持。此外，该方法还可以扩展到其他基于碱金属的电池，为整个电池回收领域带来了新的思路和解决方案。