电动汽车锂离子电池可持续回收的导电膜技术进展

《Journal of Energy Storage》：Advances in conductive membrane technologies for sustainable recycling of lithium-ion batteries from electric vehicles

　　

• •
  将电化学功能与膜分离技术相结合，可增强离子选择性和传输能力，尤其是在复杂的含多离子电池浸出液中表现尤为突出。
• •
  石墨烯、碳纳米管和MXenes等先进材料在导电性、渗透性和选择性方面显著提升了膜的性能。
• •
  混合系统（如电膜结晶）能够实现分离与回收的同步进行，减少工艺步骤和试剂消耗。
• •
  仍存在诸多关键挑战，包括膜污染、规模化放大和成本问题，需要进一步创新与系统集成以实现工业化应用。

引言

电动汽车产业的显著增长促使全球对清洁能源储能装置——锂离子电池（LIBs）的需求激增，锂离子电池是交通运输和可再生能源框架中的中级储能介质[1]。锂离子电池因具有高能量密度、长循环寿命以及相对于其他电池体系更高的有效性而备受青睐[2][3]。然而，电动汽车的快速普及导致退役锂离子电池大量积压，严重威胁生态环境和资源管理[4]。退役锂离子电池中含有锂（Li）、钴（Co）、镍（Ni）和锰（Mn）等金属，这些金属是电池生产的基本原料，但从原生矿中开采这些金属会带来高昂的环境和经济成本[5]。因此，回收技术对于回收这些金属、推动电池供应链的循环经济至关重要。总体而言，传统的锂离子电池回收方法包括火法冶金和水法冶金工艺[6]。这些工艺不仅能耗巨大，而且通常需要复杂的化学处理步骤，并会产生二次污染物[7]。例如，火法冶金工艺需要极高的温度，消耗大量能源并产生碳排放；而水法冶金方法[8][9]虽然回收率更高，但需使用强酸并增加额外的纯化步骤，这将进一步提高运行成本和风险。鉴于此，研究已聚焦于开发更绿色、更节能的替代方案，以从废弃电池中分离和回收有价值的金属[8]。

过去几年，基于膜的分离技术作为一种潜在的锂离子电池回收方式取得了快速发展[9][10][11]。与传统冶金工艺相比，膜过滤具有许多独特优势，包括优异的分离能力、低能耗、易于操作以及较低的环境影响[12][13]。这些系统利用尺寸排阻、静电作用和化学亲和力等多种方式实现选择性透过，从而分离和回收电池浸出液中的金属离子。因此，基于膜的过程作为从电池处理废水中选择性回收有价值资源的环保且节能技术，日益受到关注，同时有可能减少化学消耗和二次废物的产生[14]。然而，尽管具有这些优势，现有膜技术仍存在各种技术局限性，部分因素阻碍了这些方法在锂离子电池回收中的大规模应用[13][15]。其中一个主要问题是膜污染，即外来颗粒或化学物质沉积在膜表面，导致系统性能下降和使用寿命缩短[16]。此外，在许多情况下，标准膜的选择性不高，无法同时回收各种金属离子。限制系统整体性能的另一个严重障碍是离子分离与渗透速率之间固有的权衡关系。此外，大量现有研究局限于实验室规模，其在复杂、真实的电池废物流中的适用性尚未得到充分研究。

然而，尽管膜技术具有这些优势，当前的膜技术仍面临诸多技术局限性，限制了其在锂离子电池回收工艺中的大规模应用[13]。此外，此类膜往往难以同时对多种金属离子实现高选择性和回收效率。离子选择性鉴别与渗透速率之间固有的权衡关系仍然是主要瓶颈，限制了系统的整体性能。此外，大多数现有研究仍局限于实验室规模实验，而这些发现对复杂、真实电池废物流的适用性尚未得到充分评估[17][18]。导电膜是一种将选择性分离与导电性能相结合的膜，可在处理过程中实现离子传输和电子转移[19]。这种双重功能可以促进电化学反应，例如将有毒的Cr(VI)还原为危害较小的Cr(III)，同时改善污染物的分离和回收。然而，其在复杂废液条件下的性能仍需进一步研究。为克服这些局限性，新的研究正在探索能够融合电化学特性与先进膜基质的导电膜技术[20]。引入电导率可以提高电离子传输能力，实现电驱动分离，因此这类膜在复杂电池浸出液中贵金属的回收方面尤为适用[21][22]。

从锂离子电池作为一种有前景的替代方案首次出现，到最终主导生产、分布和消费市场，图1a追溯了锂离子电池的历史，展现了各个阶段的重要节点。图1b展示了2012年美国、欧洲和澳大利亚三大市场的电池回收时间与质量情况，当时锂离子电池开始出现在众多电子产品中并日益普及[23]。铅酸电池、锌碳电池和镍镉电池作为第一代干电池（低液态含量）化学体系得到了广泛应用[24][25][26]。第一代电池的成功促进了第二代电池的开发和商业化，第二代电池在功率密度、循环寿命和存储容量方面相较于前代有所提升。借助尖端技术，20世纪初见证了电子技术的革命性变革。这些优质电池家族的例子包括镍铁（NiFe）和镍氢（NiMH）可充电碱性电池[27]。然而，可充电碱性电池在能量密度、可燃性、回收、热安全性及其他环境方面的顾虑仍是重大障碍[28]。后续世代需要解决这些问题。

通过将这些配置与膜过滤结合电化学驱动力运行，可以实现更高的回收效率、减少化学消耗并提高过程可持续性[29][30]。这些发展符合开发环保型回收技术的总体目标，以支持快速增长的电动汽车电池市场。因此，当前膜基方法在回收锂离子电池方面效果有限、分离能力不足、规模化程度低的问题，是本研究的主要研究课题。现有系统通常存在膜污染、低效的离子特异性分离以及纯度与回收率之间的权衡问题，从而阻碍了工业应用。为克服这些挑战，应开发更优的导电膜材料和集成化的电膜工艺，以提高离子传输和分离效率。

鉴于上述问题，本研究旨在考察导电膜技术的最新发展，并评估其在电动汽车回收锂离子电池可持续回收中的适用性。具体而言，本文将探讨导电膜如何增强离子分离、减少环境影响，并提高废旧电动汽车电池中锂、钴和镍等关键金属的回收率。最终，本研究旨在为设计可扩展且环保的回收措施作出贡献，推动电池循环经济的转型。

章节摘要

电动汽车电池概述

近年来，随着人口增长，道路上汽车数量也日益增多。因此，CO₂和碳氢化合物的排放量显著增加[31]。这一问题推动了电池市场的繁荣，尤其是在电动汽车（EV）领域。电池技术领域的众多研究正在开展中[32][33]。电池市场是一个年利润达数十亿美元的产业。一项市场研究分析

研究方法

本研究采用了结构化的文献综述方法，对导电膜技术在电动汽车锂离子电池可持续回收方面的最新发展进行了批判性评价。综述中重点考虑的核心问题是：通过基于膜的分离工艺从电池浸出液中回收锂（Li）、钴（Co）、镍（Ni）和锰（Mn）等关键金属。已对科学文献进行了

锂离子电池的组成和工作原理

锂离子电池（LIBs）广泛应用于现代电子产品、清洁能源存储和电动汽车中，这得益于其高能量密度、延长循环寿命和高效率水平[68][69][70]。其性能主要取决于各组成部分的材料组成以及在充放电过程中发生的电化学反应[71][72]。对结构和

导电膜制备材料

导电膜在电动汽车锂离子电池回收中的有效性在很大程度上取决于其制备所用的材料，因为材料性能直接影响导电性、耐化学腐蚀性、机械稳定性和离子分离性能[121][122]。与传统膜系统不同，导电膜必须同时提供结构完整性并在施加

结论

电动汽车的日益普及被认为是快速推高锂离子电池需求的原因，从而导致其生命周期末期产生大量电池废弃物。这一日益严重的问题凸显了建立高效可持续回收方法以回收锂、钴和镍等重要金属的必要性。尽管传统的回收方式——如火法冶金和水法冶金——在材料回收方面发挥了重要作用，

CRediT作者贡献声明

Surajudeen Sikiru：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，监督，资源，方法论，调查，资金获取，形式化分析，数据管理，概念设计。

利益冲突声明

作者声明他们不存在可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。