废锂离子电池与聚氯乙烯塑料协同回收：超快电热氯化实现秒级金属回收与石墨烯升级再造

《Cell Reports Physical Science》：Co-recycling of waste lithium-ion batteries and polyvinyl chloride plastics

本刊推荐：研究人员针对废锂离子电池回收过程中存在的高能耗、低选择性及塑料污染问题，创新性地提出电热氯化(ETC)协同回收策略。该技术利用聚氯乙烯(PVC)作为氯化剂，在秒级时间内将电池正极材料中的锂选择性转化为水溶性LiCl，过渡金属转化为金属/氧化物形式，实现94%-99%的金属回收率，同时将PVC碳组分升级为闪蒸石墨烯。相比传统方法，该工艺可降低84%-94%碳排放和85%-95%运营成本，为可持续材料循环提供新技术范式。

　　

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)已成为清洁能源转型的核心组成部分。然而，大量报废电池的处理问题日益严峻，预计到2030年全球每年产生的废锂离子电池将达数百万吨。这些废电池不仅存在重金属浸出、电解液泄漏等环境风险，还加剧了锂(Li)、钴(Co)、镍(Ni)、锰(Mn)等关键金属的供应压力。当前主流的火法冶金和湿法冶金回收技术分别面临能耗高、选择性差、化学试剂消耗大等挑战，特别是锂元素的回收效率普遍较低。与此同时，聚氯乙烯(PVC)塑料作为全球年产量约720万吨的大宗废弃物，其处理过程中可能释放有毒氯化物，传统回收方式难以实现高值化利用。

针对这些挑战，清华大学王腾、冯尔康、任振宇等研究人员在《Cell Reports Physical Science》发表研究，提出了一种超快电热氯化(ETC)方法，实现废锂离子电池和PVC塑料的协同回收。该技术通过精确控制氯化热力学，在秒级时间内完成材料转化，不仅实现了金属的高效分离回收，还将塑料碳组分升级为高附加值石墨烯材料，为可持续材料循环提供了创新解决方案。

研究采用的核心技术方法包括：①电热氯化反应系统，通过脉冲电流实现400-2000°C可调的快速加热；②热力学计算与实验验证相结合，利用HSC Chemistry软件分析反应路径；③多尺度材料表征（XRD、XPS、SEM/TEM、Raman等）；④选择性浸出工艺（水浸提锂+酸浸提过渡金属）；⑤全生命周期评估(LCA)和技术经济分析(TEA)量化环境与经济效益。

电热氯化协同回收工艺设计

研究人员设计的三步法工艺首先将废正极材料与PVC塑料研磨混合，添加炭黑作为导电剂。在密闭石英管反应器中施加脉冲电流，利用焦耳热引发PVC分解产生氯化氢(HCl)，进而与正极材料发生选择性氯化反应。

温度精确控制使锂转化为水溶性LiCl，而过渡金属转化为金属或氧化物形式，同时PVC碳在过渡金属催化下石墨化为闪蒸石墨烯。

锂钴氧化物(LCO)的选择性金属回收

热力学计算表明，在>335°C时还原生成金属钴的反应更有利。实验证实，在n(Cl)/n(Li)=6:1、22A电流（T_max~1150°C）条件下，锂回收率达97.2%，钴浸出率仅0.15%，锂钴分离因子达2670。XRD和XPS分析显示产物为LiCl和金属钴，TEM观察到钴颗粒被石墨化碳层包裹。后续用0.1M HCl即可实现97.4%的钴回收。

锂锰氧化物(LMO)的回收优化

针对锰元素较高的氯化倾向（临界温度1188°C），研究人员将PVC投料比降至n(Cl)/n(Li)=2:1。在1100°C下实现94.2%的锂回收率和232的锂锰分离因子。XRD显示产物为MnO和Mn₃O₄，SEM显示LiCl重结晶覆盖在锰氧化物表面，这种微观结构有利于后续浸出动力学。

三元材料(NCM)的协同回收

对于LiNi_xCo_yMn_1-x-yO₂材料，镍在>269°C时即可优先形成金属态。在优化条件下（1150°C、13秒），锂回收率99.3%，过渡金属溶解率仅0.2%，分离因子达490。酸浸后过渡金属总回收率93.8%（0.1M HCl）。回收的金属混合物可通过共沉淀和煅烧重新合成正极材料，验证了闭环回收可行性。

PVC碳的升级再造与副产物控制

过渡金属作为催化剂显著提升了PVC碳的石墨化程度，与单独热解PVC相比，共回收产生的石墨烯材料显示出更尖锐的XRD衍射峰和明显的2D拉曼峰，层数约5-8层。碳回收率达31%-33%，高于传统工艺（17%-21%）。气相产物分析表明，正极材料的存在显著抑制了氯代有机物和多环芳烃等有毒副产物的生成，主要气体产物为八甲基环四硅氧烷，可通过后续处理转化为高值化学品。

环境与经济效益评估

生命周期评估显示，ETC工艺处理每吨NCM材料仅产生13.7吨CO₂当量，较传统方法降低84%-94%。技术经济分析表明运营成本降低46%-95%，且石墨烯副产物可显著提升收益。工艺已实现33倍放大（10克/批次），预计日处理量可达100公斤，具备规模化应用潜力。

该研究通过创新性的电热氯化策略，成功解决了废锂离子电池回收中的选择性差、能耗高问题，同时实现了PVC塑料的高值化利用。秒级反应速度、高金属回收率（94%-99%）和优异的分离选择性（最高~2600）彰显了技术优势，而石墨烯副产物的生成进一步提升了经济可行性。这种协同回收模式为电子废弃物和塑料污染的综合治理提供了新范式，有望推动循环经济向更高效、更可持续的方向发展。未来研究可探索该策略在其他含金属废弃物和卤素塑料协同处理中的扩展应用，为建立"无废城市"提供技术支撑。