废旧锂离子电池回收与再生的优化浸出技术

《Journal of Energy Storage》：Optimized leaching technologies for recycling and regeneration of spent lithium?ion batteries

　　

•系统综述了废旧锂离子电池最新的水冶回收技术，包括酸浸、碱浸和深共熔溶剂浸出。
•总结了电池回收系统中金属分离、回收和正极材料再生的进展。
•全面收集了近期文献，并整理了关键技术参数的综合摘要表。

引言
近年来，由于能源需求增加、化石燃料枯竭以及严重的环境污染，探索各种清洁和可持续能源已成为一项重要优先事项。由于具有高电压、高能量密度、长循环寿命、宽工作温度范围和低自放电率，锂离子电池已成为二次储能技术的主导技术和最大市场细分领域。电动汽车的日益普及极大地推动了大规模锂离子电池（LIBs）制造的需求。一份能源趋势报告预测，到 2025 年电动汽车的营收份额将增加 10%。国际能源署预测，到 2030 年全球电动汽车销量将达到 2100 万辆 [1]。电动汽车的快速增长将伴随着废旧锂离子电池数量的指数级增长。据估计，到 2030 年，全球将产生超过 1100 万吨废弃锂离子电池 [2]。

随着向实现净零排放迈进，对环保能源的需求不断增加。同时，响应低碳环境进步的动力，能源结构转型的需求也在增长 [3]。锂离子电池的增强与推广应用，如促进综合能源梯级利用、开发高效回收技术以及增加可再生能源装机容量之间，存在显著的相关性。大量制造电池的背后是各种有限的关键金属资源的开采。由于对锂离子电池的需求不断增加，人们对必需金属资源的长期可用性存在担忧。锂离子电池还包含许多危险成分，重金属和有机电解质是典型例子。考虑到废旧锂离子电池保留有残余能量和危险物质（包括电解质和重金属），它们存在爆炸和火灾的风险 [4]。如果管理不当，这些废旧锂离子电池将对环境构成重大威胁并带来安全隐患。

研究人员使用颠覆性冶金技术从废弃电极中提取过渡金属和锂。目前，工业应用中 commercially available 的电极回收解决方案主要依赖火法和湿法冶金方法。这些方法主要适用于因电极材料严重损坏而失效的电池。然而，为了从废旧正极中提取金属成分，这些回收步骤通常需要高温作业。火法冶金就是一种例子；虽然它可以实现大规模生产，但存在能耗高、锂回收效率低以及释放有毒有害气体等问题 [5]。二次废物的产生及相关的环境影响往往考虑不足，这严重违背了绿色化学的原则。从退役锂离子电池中回收关键金属的主要技术是湿法冶金，它涉及从固体中选择性溶解金属，随后从浸出液中回收这些金属。与火法回收相比，湿法冶金策略受价格波动和化学成分变化的影响较小 [6]。

浸出是湿法冶金程序中的必要阶段，促进金属成分溶解到水溶液中 [7]。这一步是有效应用后续分离方法（如电沉积和化学沉淀）的基础。多年来，研究电池的科学家调查了可接受的金属载体及其相应的绿色回收技术，以满足大规模应用的要求。实验室已开发出许多环保回收技术，主要侧重于替代有毒有害的化学试剂。

最近，专门针对废旧锂离子电池湿法冶金回收的综述文章激增。然而，大多数综述主要集中在预处理方法和金属浸出技术。目前缺乏专注于环保浸出方法的选择性使用及浸出过程增强的全面综述。本综述旨在系统总结废旧锂离子电池湿法冶金浸出技术的研究进展，并为高效可持续湿法冶金回收工艺的未来发展提出战略方向。综述的文献涵盖多个学科，为该主题提供了全面而彻底的概述。

本综述首先介绍了锂离子电池湿法冶金回收技术的演变，强调了废旧电池回收和再生的紧迫性和重要性。随后，讨论涵盖了传统湿法冶金技术的基本原理，如酸浸、碱浸和氨浸方法，然后探讨关键领域的最新进展，特别是还原剂的应用。接着，讨论了创新的湿法冶金浸出方法，包括生物浸出和深共熔溶剂（DES）浸出，特别强调了各种操作参数如何影响金属回收效率。然后，综述全面分析了近年来出现的最具创新性和前景的先进浸出方法。综述整合了当前技术的优势，提出了一种环境可持续、高效且成本效益高的浸出工艺，用于从废旧锂离子电池正极中提取关键金属。目标是提高能效，促进环境可持续性，实现废旧锂离子电池的成本效益回收，从而优化从正极材料浸出战略金属相关的经济收益和生态优势。

现有关于废旧锂离子电池湿法冶金回收的综述论文通常按照试剂类别组织有机基浸出技术，这可能导致类别边界模糊和对内在反应机制的解读肤浅。在此背景下，本综述提出了一种面向机制的有机体系浸出六类分类框架，系统总结了每种技术路线的优点和固有瓶颈。除了简单的基于试剂的排序外，第 5 章进一步总结了多样化的强化浸出策略，第 6 章构建了涵盖浸出液分离和正极材料再生的全链分析。基于详尽的文献整理，第 7 章提供了我们独立的综合分析和建议视角，希望能为开发高效可持续的废旧锂离子电池湿法冶金回收工作流程提供有用的见解。

章节片段

湿法冶金技术的历史演变和总体趋势
湿法冶金技术已成为废旧锂离子电池的主流工业回收路线，与火法冶金相比，它具有金属回收率高、产品纯度高和能耗较低等优点 [8]。近年来，行业不断推进技术创新，聚焦绿色升级和效率提升两大方向，并逐渐形成了一套涵盖贵金属浸出、强化浸出的完整技术体系，

湿法冶金的方法和基本原理
浸出过程构成湿法冶金作业的基本步骤，旨在将分离的正极材料中的目标金属成分转化为可溶性离子物质。湿法冶金方法主要涉及废旧锂离子电池的初步处理、从废旧正极材料中提取金属以及从浸出液中精炼金属。湿法冶金过程中的主要挑战是分离所需复杂且成本高昂，以隔离

前沿浸出技术和反应机制
使用这些试剂可使湿法冶金过程在比火法冶金更温和的条件下运行，同时获得更高纯度的回收材料。高腐蚀性试剂的应用无疑带来了巨大的环境挑战。因此，许多研究人员致力于开发更温和的试剂或探索替代方案，以提高试剂效率并减少用量 [71]。本章提供了近期进展的简明概述

强化浸出技术
仅通过酸碱或盐溶液浸出实现钴、锂、镍和锰的全面高效提取仍然具有挑战性。通过适当的增强技术优化浸出过程可以显著提高提取效率。研究人员提出了几种新技术，以提高金属浸出效率并降低环境风险。这些技术包括热解、机械化学和电化学辅助，

正极材料的回收与再生策略
湿法冶金技术包括高纯度关键金属的选择性回收。浸出和分离是湿法冶金过程中常见的两个独立回收阶段。上述方法的挑战在于难以从浸出液液中分离贵重金属，并产生大量废水 [144]。浸出后，可以使用各种方法将回收的金属离子从溶液中分离出来

可持续性评估
技术和环境及生命周期可持续性评估是筛选废旧 LIB 正极可行回收路线的关键基准，涵盖关键维度，包括试剂成本、能耗、固体废物处置和溶剂可回收性。对于以无机酸浸出为代表的传统湿法冶金路线，原始试剂成本相对较低。尽管如此，却产生了大量酸性液态废物，需要

CRediT 作者贡献声明
Yifan Li: 撰写——初稿。Faiza Arshad: 监督。Honghua Zhang: 监督。Xianglin Xiang: 监督。Liqianyun Xu: 撰写——审稿与编辑，验证，软件，调查，正式分析。Qi Meng: 监督。Yubo Xing: 监督。Peng Dong: 监督。

利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些关系可能被认为会影响本文报告的工作。

致谢
本工作得到云南省基础研究计划项目 (202401BE070001-049, 202601CF070026)、云南省基础研究计划 (202501AW070007)、云南贵金属实验室技术计划项目 (YPML-20240502049) 以及云南省兴滇人才支持计划 (XDYC-QNRC-2023-0092) 的支持，特此致谢。

Yifan Li|Faiza Arshad|Honghua Zhang|Xianglin Xiang|Liqianyun Xu|Qi Meng|Yubo Xing|Peng Dong