综述：超临界CO2工艺回收金属：聚焦锂离子电池金属提取

本综述系统探讨了超临界二氧化碳（scCO2）技术在锂离子电池（LIB）回收中的应用潜力，重点分析了其对正极活性材料（CAM）中钴（Co）、锂（Li）、镍（Ni）等关键金属的绿色提取优势，为应对欧盟回收目标和资源可持续性提供了创新解决方案。

　　

超临界CO₂在锂离子电池金属回收中的应用与挑战

引言

随着锂离子电池（LIB）在电动汽车和可再生能源领域的广泛应用，其回收问题已成为实现资源可持续性的关键环节。欧盟设定了雄心勃勃的回收目标：到2035年新电池必须含有20%再生钴、10%再生锂和12%再生镍。传统的火法冶金和湿法冶金工艺虽占主导地位，但存在高能耗、化学污染和金属回收局限等问题。超临界二氧化碳（scCO₂）技术因其绿色、高效的特性成为新兴替代方案。

CO₂-溶质相互作用机制

理解物质在scCO₂中的溶解度需首先分析其与CO₂的相互作用。CO₂作为非极性（介电常数1-2）且非质子的溶剂，与金属阳离子、络合配体（特别是离子型X配体）以及极化官能团的相互作用较弱。金属离子本身难以溶解于scCO₂，需通过CO₂亲和性抗衡阴离子或表面活性剂构建金属络合物来实现有效传输。溶解度受压力、温度、共溶剂和络合剂等多参数调控，其中氟化或硅化修饰的配体可显著增强CO₂亲和性。

scCO₂在LIB回收中的应用现状

目前scCO₂技术主要应用于LIB的电解质回收和粘结剂去除。其低温临界条件（T_c=31.1°C, P_c=73.8 bar）显著降低能耗，且CO₂无毒、不易燃的特性使其成为传统有机溶剂的理想替代品。在金属回收领域，应用仍处于探索阶段，主要挑战在于金属离子的电荷特性与scCO₂的非极性性质不匹配。通过设计特定金属络合体系（如β-二酮类络合剂），已实现钴、镍等金属的选择性萃取，但锂的回收仍面临提取效率和选择性的双重挑战。

金属萃取技术与CAM回收前景

自20世纪下半叶以来，scCO₂金属萃取技术已在核废料处理和工业废水除污领域得到验证。对于LIB正极活性材料（CAM）如LiCoO₂（LCO）、LiNi_xCo_yMn_zO₂（NMC）等，scCO₂萃取需结合预处理步骤（如热解产生黑粉）和优化络合体系。研究表明，压力、温度、共溶剂（如乙醇）和络合剂浓度显著影响金属回收率。例如，采用六氟乙酰丙酮（HFA）等络合剂可在中等压力（200-300 bar）下实现钴的高效萃取。未来需开发针对低钴含量CAM（如LFP）的经济型回收方案。

结论与展望

scCO₂技术为LIB回收提供了绿色、高效的路径，尤其在电解质回收和金属提取方面展现巨大潜力。然而，该技术仍面临金属络合体系设计、提取效率优化和规模化应用等挑战。未来研究应聚焦于：开发新型CO₂亲和性配体；建立多金属选择性萃取体系；推动从实验室向工业级的技术转化。通过跨学科合作和政策支持，scCO₂技术有望成为实现LIB循环经济的关键技术支柱。