用于回收手机废旧锂离子电池的有机酸湿法冶金技术：浸出性能、工艺参数及回收材料应用的综合性评估

《Nano Energy》：Organic acid hydrometallurgy for recycling spent lithium-ion batteries from cell phones: A critical review of leaching performance, process parameters, and applications of recovered materials

　　• 对废弃手机锂离子电池（LIBs）中有机酸浸出的系统比较研究。
• 在温和条件下，草酸和抗坏血酸具有较高的回收率。
• 柠檬酸在还原剂的存在下可实现高达99%的锂（Li）和100%的钴（Co）回收率。
• 发现了技术经济评估（TEA）与生命周期评估（LCA）之间的差距，以及未充分研究的有机酸（如乙酸、琥珀酸、酒石酸、苹果酸）。
• 缺乏标准的测试和报告条件，阻碍了有机酸之间的直接比较。

**引言**
当今世界在向清洁能源系统转型过程中面临挑战，这主要是由于基础设施限制和某些关键原材料的短缺[1]、[2]。因此，全球能源系统仍严重依赖化石燃料[3]。先进产业和电子产品的快速发展增加了对关键原材料的需求，从而加剧了供应链的难题[4]。然而，地缘政治紧张局势、矿产资源集中在特定地区，以及促进资源民族主义的政策，导致一些国家暂停出口或对关键原材料（如稀土金属和电池级材料钴（Co）和锂（Li）实施严格限制[5]。这些因素突显了回收电子设备以回收有限且具有经济价值的金属的重要性[6]。如今最常用的电子设备之一是手机，而手机依赖电池供电[7]。电池含有锂（Li）和钴（Co）等有限、关键且具有经济价值的金属，其高效回收具有显著意义[8]、[9]。因此，本综述重点讨论了废弃手机锂离子电池（LIBs）的回收问题。

锂离子电池（LIBs）的特点包括高能量密度（300–750 Wh/L）、轻量化设计、几乎不存在记忆效应、更平坦的形状、低自放电率、宽温度工作范围、长充放电循环寿命（约1200次循环）、 minimal维护要求，以及比铅酸电池、镍镉（NiCd）和镍氢（NiMH）电池更好的密封结构和较低的电解质泄漏[10]、[11]。由于这些优点，锂离子电池在过去三十年中已成为现代便携式电子设备（尤其是手机）的主要能源来源[12]，这一趋势始于1991年由索尼率先推出的产品[13]。图1展示了电池发展如何影响手机体积和技术的进步，以及从铅酸电池向高密度现代锂离子电池系统（>200 Wh/kg）的转变。预计到2030年，基于锂的电池技术将发展到250 Wh/kg，从而支持更先进的手机。图1的上半部分展示了旧款和新款手机的示例及其首次生产年份。

典型的手机锂离子电池由钢制或塑料外壳的电池单体组成，其中包含有机隔膜、正极、负极和电解质[14]、[15]，如图2所示。据报道，锂离子电池的成分因电池化学类型、设计和分析方法而异。主要成分包括大约7%的铜（Cu）、15%的铝（Al）、7–16%的塑料、41%的正极活性材料、16%的石墨和7–15%的电解质[15]、[16]。这些数据来自不同的成分数据集，不应被视为单个电池的加法质量平衡。如果存在镍（Ni），它主要存在于正极活性材料中，而不是作为独立的电池组成部分。正极活性材料含有钴（Co）和锂（Li）等关键且昂贵的金属，是锂离子电池中最有价值的组件[17]。锂（Li）含量通常在2–7%之间，而钴（Co）含量在5–20%之间[18]、[19]。传统的负极由基于石墨的活性层构成，该活性层包含聚合物粘合剂和导电添加剂，并涂覆在铜（Cu）集流体上[14]、[20]。

迅速发展的手机行业是锂离子电池的最大应用领域之一[22]。截至2025年，全球有57.8亿人使用手机，其中智能手机占手机总数的近87%[7]。手机的结构极其复杂，材料组成也非常多样，电池约占手机总重量的20%[23]。尽管在电池材料研究方面取得了显著进展，但对手机锂离子电池的回收关注较少[4]、[24]、[25]。手机的使用寿命较短（大约3年），导致产生了大量电子垃圾，其中包括含有锂（Li）和钴（Co）等贵重金属的锂离子电池[15]、[26]。例如，2022年国际电子电气设备论坛估计约有53亿块手机作为电子垃圾被丢弃[27]。

目前，许多废弃的锂离子电池通过填埋、堆放、出口或通过记录不完善的废物流进行处置，截至2023年只有3%的废弃锂离子电池通过规范的程序进行了回收[28]。不当处置废弃锂离子电池会带来严重的环境风险，包括火灾和爆炸[17]、[29]、[30]。在热失控过程中，锂离子电池还会释放有毒和易燃气体，如氟化氢和挥发性有机化合物[17]、[29]。此外，处置不当的锂离子电池会导致电解质泄漏和降解，进而污染土壤和地下水[17]、[29]。由于严格的环境法规、有限的自然资源以及对替代能源关键元素需求的不断增长，需要更加可持续、对环境影响较小的手机锂离子电池回收方法[14]。

本综述全面总结了废弃手机锂离子电池的回收类别，包括典型工艺、目的、优缺点。其中，重点介绍了使用有机酸的湿法冶金方法，这是一种有前景、高效且潜在环境影响较小的方法。在适当的工艺条件下，有机酸湿法冶金可以满足监管要求，并提供比传统酸浸法更环保的替代方案。综述还概述了湿法冶金回收所需的预处理步骤、各个回收阶段以及用于评估回收材料的技术手段。文章讨论了回收材料及其目标应用，并对其技术成熟度进行了定性评估。同时，本文还批判性地评估和比较了各种有机酸浸出剂在回收废弃手机锂离子电池方面的性能，重点关注了报告的浸出率、溶解度、转化率和产品回收指标及工艺参数。然而，由于原料组成和实验条件的不标准化，有机酸之间的直接比较仍受到限制。此外，本研究还指出了关键的研究空白，包括缺乏标准测试和表征协议、技术经济评估（TEA）和生命周期评估（LCA）研究，以及对较少研究的有机酸的系统性研究。

图3展示了通过有机酸湿法冶金回收废弃手机锂离子电池的工作流程。示意图展示了从收集和预处理废弃锂离子电池到生产黑色物质的全过程，主要包括有机酸浸出和贵重金属（锂（Li）、钴（Co）、镍（Ni）、锰（Mn）、铝（Al）、锌（Zn）的回收。

**手机锂离子电池的独特特性和浸出影响**
先前的综述已经提供了关于有机酸在废弃锂离子电池回收中的应用的广泛概述及其环境影响[11]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]。一些综述扩展了研究范围，涵盖了以锂镍锰钴氧化物（NMC）为目标的湿法冶金回收及其整个过程，包括预处理、浸出、净化和材料再生[11]、[31]。其他综述探讨了新兴的回收方法和回收材料的增值应用。

**废弃手机锂离子电池的回收类别和工艺**
表1和图4总结了废弃手机锂离子电池的几种回收方法，包括物理/机械方法、化学方法、直接/再生方法以及热/冶金方法[21]、[45]。每种方法包含多种具体工艺。表1列出了所采用的方法、每种回收过程的目的、主要产出、优点和缺点。其中，湿法冶金、火法冶金和直接回收是应用最广泛的工业和研究方法[34]。

**废弃手机锂离子电池的湿法冶金回收预处理**
最近的综述[100]、[101]提供了关于废弃锂离子电池预处理技术的详细描述和比较，因此本工作不再赘述。本文仅讨论直接影响有机酸浸出的预处理因素。在关于废弃手机锂离子电池回收的研究中，预处理通常包括放电和拆解电池，分离正极材料，并通过热处理或化学方法去除粘合剂和电解质残留物。

**废弃和回收锂离子电池材料的表征**
为了评估各种废弃和回收锂离子电池组分的元素组成，采用了多种分析技术。这些分析包括化学分析、结构分析、表面分析、热分析和电化学分析，以全面评估回收过程中的材料[6]。通常将废弃的正极活性材料在酸中消化以制备溶液，然后通过原子吸收光谱法（AAS）进行化学分析，以确定金属成分。

**湿法冶金回收废弃手机锂离子电池**
湿法冶金是目前锂离子电池回收行业中应用最广泛的方法之一，也是学术界和工业研究的热点[121]。商业案例包括Brunp公司在其回收过程中使用湿法冶金[122]，以及Umicore公司采用的综合同步火法冶金-湿法冶金工艺[31]、[123]。在优化条件下，湿法冶金能够实现锂（Li）、钴（Co）、镍（Ni）和锰（Mn）等贵重金属的高回收率[31]、[52]。

**目标材料及其应用**
本综述重点讨论了使用湿法冶金方法从废弃手机锂离子电池中回收的目标材料及其应用，无论所用浸出剂是有机酸、无机酸还是碱性化合物。大多数基于湿法冶金的研究集中在回收单质金属、含金属化合物或含钴（Co）[41]、[42]、锂（Li）[14]、[41]、镍（Ni）[14]、[42]、锰（Mn）[14]的盐类。

**挑战和研究空白**
如上所述，关于酒石酸、乙酸、琥珀酸和苹果酸的研究较少，因此难以对其作为废弃手机锂离子电池浸出剂的性能做出可靠结论。此外，研究人员尚未系统研究浸出条件（包括温度、时间、固液比、酸浓度、搅拌速度和还原剂添加）的联合效应和相互作用。这些因素共同影响了浸出效果。

**结论与未来展望**
本文全面总结了废弃手机锂离子电池的回收方法，特别强调了有机酸湿法冶金及其应用的影响因素。如图14所示，所研究的流程整合了预处理、有机酸浸出、金属回收和材料再利用。总体而言，有机酸在相对温和的条件下可以实现较高的回收效率。然而，它们的相对性能不能仅通过最大回收率来判定。

**作者贡献声明**
Mohammed Salah：撰写–审阅与编辑、撰写–初稿、可视化、验证、监督、方法论、研究、正式分析、概念化。
Firoz Khan：撰写–审阅与编辑、可视化、验证、监督、方法论、研究、资金筹集、概念化。
Atif AlZahrani：撰写–审阅与编辑、监督、资金筹集、概念化。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

**致谢**
作者感谢沙特阿拉伯法赫德国王石油与矿业大学跨学科可持续能源系统中心的支持，项目编号为INSE2605。

Mohammed Salah自2026年3月起担任沙特阿拉伯法赫德国王石油与矿业大学跨学科可持续能源系统中心的博士后研究员。他于2022年在澳大利亚南澳大利亚大学（现阿德莱德大学）获得能源与先进制造博士学位，随后在南澳大利亚大学未来产业研究所担任博士后研究员，并曾担任助理研究员。