选择性金属回收：废旧锂离子电池中LFP-NMC正极混合物的创新浸出策略

为解决LFP和NMC混合型废旧锂离子电池回收过程中铁、铝、铜等杂质干扰以及金属选择性浸出难题，研究人员开发了一种基于硫酸和过氧化氢的酸缺条件下浸出新工艺，实现了Li、Ni、Mn、Co的高效选择性溶解（浸出率>79%），同时使Fe、P、Cu、Al沉淀分离，为复杂组分电池回收提供了高效纯化解决方案，对促进电池可持续循环利用具有重要意义。

　　

随着全球向可持续能源和电动交通转型加速，锂离子电池已成为不可或缺的能量存储载体。然而，大量废旧电池的处置问题日益凸显，既构成环境污染风险，又是宝贵的金属二次资源。目前回收产业主要关注电动汽车电池，但其正极材料通常为单一体系的NMC（LiNi_xMn_yCo_zO₂）或LFP（LiFePO₄），成分相对明确。而电动自行车、电动滑板车等城市电动交通工具的电池则多为LFP与NMC的混合物，导致回收处理时面临组分波动大、铁含量高等挑战。传统湿法冶金工艺难以高效处理这种混合材料，亟需开发能选择性回收有价金属并有效分离杂质的新方法。

针对这一难题，Pierric Hubert、Anna Vanderbruggen、Safi Jradi和Alexandre Chagnes在《Sustainable Materials and Technologies》上发表研究，提出了一种创新的浸出策略，通过控制酸度和氧化还原电位，实现了LFP-NMC混合正极材料中锂、镍、锰、钴的选择性溶解，而铁、磷、铜、铝则被抑制在渣中，从而获得高纯度的浸出液，为后续金属分离纯化奠定了坚实基础。

研究采用的关键技术方法包括：使用硫酸与过氧化氢体系进行浸出实验，通过微波等离子体原子发射光谱（MP-AES）分析元素溶解率，利用X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜结合能谱（SEM-EDS）表征固体残留物物相和成分，并采用PHREEQC软件进行溶液化学物种分布和饱和指数计算，以预测和验证反应过程中的沉淀行为。实验所用模型黑粉由原始LFP和NMC材料按不同比例混合，并添加铜粉、铝粉和石墨模拟实际黑粉杂质。

3.1. 酸缺评估

通过化学计量计算确定了完全浸出所需的理论酸量，并绘制了不同黑粉组成下硫酸浓度与固液比的关系曲线，为实验设定了酸缺条件（实际酸量低于理论值），确保在溶解有价金属的同时促进杂质沉淀。

3.2. 黑粉组成对浸出性能的影响

实验表明，LFP/NMC比例变化对Ni、Mn、Co、Li的溶解率影响不显著。在无铜铝杂质时，LFP-rich混合物中Co、Ni、Mn的溶解率略低，源于LFP溶解释放的磷酸根与这些金属形成磷酸盐沉淀。添加1% Cu和2% Al或高达50%石墨，均未显著改变有价金属的浸出效率，证明这些杂质不影响核心回收过程。

3.3. 浸出动力学

对纯LFP和纯NMC的浸出行为显示，LFP在5分钟内即可完全释出锂，而NMC需60分钟，且pH由0.3升至6.7。在LFP/NMC=50/50的混合物中，Li、Ni、Mn、Co的溶解率分别达到93.6%、86.3%、84.8%和79.9%，铁和磷在浸出初期短暂溶出后随pH升高（>1）迅速以FePO₄形式沉淀，30分钟后溶液中几乎检测不到。铜和铝也通过沉淀作用被有效去除。PHREEQC计算证实溶液中的Mn、Co均以+2价离子存在，且无钴、镍、锰的磷酸盐沉淀生成，与XRD检测残留物主要为FePO₄和未溶NMC的结果一致。

研究结论强调，通过控制硫酸和过氧化氢用量在酸缺条件下，可成功从LFP-NMC混合黑粉中选择性浸出Li、Ni、Mn、Co，而Fe、P、Cu、Al沉淀于渣中，获得的高纯度浸出液可直接用于后续液液萃取分离有价金属。该方法灵活高效，无需因电池原料来源不同调整工艺，显著降低了回收流程的复杂度和成本。残留固体富含铁、磷、铜、铝，可进一步处理生产新LFP正极所需的高纯磷酸铁，实现了资源的全组分循环，为混合型锂离子电池的回收提供了切实可行的新技术路径，对推动电池产业可持续发展和满足欧盟2030/2035年再生材料占比指令具有重要实践意义。