《Journal of Energy Storage》：Green and efficient extraction of lithium from cathode materials of spent lithium-ion batteries: Technological progress and recycling pathways
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锂离子电池回收技术综述，探讨液相（酸浸、水热、电化学等）和固相（焙烧、机械法）提锂机理，提出闭环再生与高值化双路径策略，分析经济性、环境可持续性和规模化挑战，为智能化绿色回收提供理论指导。
作者：宋柳冰、杨启海、赵婷婷、匡银杰、陈丽霞、杨正、姜杰、严群轩
长沙理工大学化学与制药工程学院，中国长沙410114
摘要
全球对锂离子电池需求的迅速增长加剧了锂资源供需不平衡的问题。作为重要的二次资源，废旧锂离子电池的高效回收对于确保锂资源的可持续供应和推动新能源产业的可持续发展具有战略意义。本文系统回顾了从废旧锂离子电池正极材料中提取锂的绿色技术，重点关注了两大主要方法的最新进展：液相浸出（包括酸浸出、水热浸出、电化学浸出、化学氧化浸出和深共晶溶剂浸出）和固相转化浸出（包括焙烧和机械化学方法）。特别强调了水热和机械化学技术等新兴方法。从全组分回收的角度出发，本文详细探讨了两种策略——通过直接重新合成正极材料实现闭环再生，以及通过转化为催化剂、功能材料和其他高附加值产品实现非闭环高价值利用。针对经济可行性、环境可持续性和可扩展性等当前挑战，本文提出了智能和绿色回收技术的未来发展方向，旨在为废旧锂离子电池的高效、可持续管理提供理论见解和技术指导，从而支持新能源产业的长期健康发展。
引言
在全球“双碳”目标的推动下，新能源汽车（NEV）行业经历了快速而持续的增长。锂离子电池（LIBs）因其轻量化设计、紧凑体积、高能量密度和低自放电率而成为该领域的主要动力来源[2]。新能源汽车市场正在呈指数级扩张，预计到2030年年产量将达到1.36亿辆[3]。鉴于新能源汽车的典型使用寿命为5至8年[4]，电动汽车的普及预计将导致未来大量废旧锂离子电池的产生。仅在中国，到2025年需要回收的废旧电池容量预计将达到137.4吉瓦时（GWh）。同时，全球锂离子电池回收市场预计到2030年将达到237.2亿美元[5][6]。作为锂、镍和钴等战略金属的主要载体，锂离子电池代表了关键的战略资源。然而，锂矿资源在全球分布极不均衡：大约70%的锂矿位于阿根廷、玻利维亚和智利，而澳大利亚和智利合计占全球锂产量的71%[7]。这种地理分布不平衡对供应链安全和成本稳定性构成了重大风险。值得注意的是，废旧锂离子电池中的贵重金属含量通常高于传统矿石。因此，回收不仅解决了电子废物管理日益严峻的问题，还建立了关键金属的可持续二次供应链。此外，提取1吨锂需要处理250吨含锂矿物或750吨盐水，而从大约28吨废旧锂离子电池中可以回收等量的锂（其中锂含量约为2-7%[8]）。这凸显了通过电池回收进行城市采矿在经济效益和资源利用方面的优势。因此，从废旧锂离子电池中回收锂已成为锂资源循环利用的重要组成部分，并被广泛认为是减少对初级原材料依赖、增强供应链韧性和稳定市场动态的最有效策略之一[9][10]。
目前，从废旧锂离子电池中提取锂主要依赖于对废旧正极材料的冶金处理，可分为火法冶金和湿法冶金。虽然传统的湿法冶金浸出具有较高的提取效率，但过程复杂多步骤；相比之下，火法冶金操作较为简单，但锂的回收效率相对较低[11]。此外，由于镍、钴和锰的物理化学性质高度相似，从NCM（锂镍钴锰氧化物）正极材料的浸出液中高效分离高纯度单一金属仍是一个重大技术挑战[12]。在这种情况下，回收过程前端的选择性锂提取成为解决这些限制的关键策略。所得到的脱锂材料可以直接用于前体合成、高价值材料制备或进一步分离纯化，从而显著缩短整个回收周期。2024年，中国工业和信息化部发布了《新能源汽车废旧动力蓄电池综合利用行业标准》，要求回收企业采用湿法冶金、火法冶金或材料再生等工业规模技术。对于电极材料的回收，该标准规定锂的最低回收率为90%，镍、钴和锰的回收率不低于98%。受高锂回收效率需求的驱动，国内企业越来越多地采用前端锂提取工艺，如还原焙烧结合碳酸盐水浸出和硫酸盐焙烧后水浸出，以替代传统的末端锂回收方法。与直接再生方法相比[13]，这些前端相转化工艺不仅处理路线更短、效率更高，而且回收的锂离子电池材料具有更好的电化学性能[14][15][16]，同时成本效益也更高[17][18]，减少了对强酸、碱和其他化学试剂的依赖[17][18]，从而降低了碳足迹并减轻了原材料供应的压力。这些优势使得前端锂提取成为未来废旧锂离子电池正极材料回收的有前景途径。
从通过相变选择性提取锂的角度出发，本研究整合了锂的行为机制和反应环境，重点关注两种核心方法：液相锂提取和固相锂提取。系统总结了现有的提取方法，并评估了它们在锂选择性、环境可持续性和工业可扩展性方面的差异。从全组分回收的角度出发，本文详细阐述了两种脱锂材料的回收途径——闭环回收（涉及正极材料的再生）和非闭环回收（旨在生产高附加值产品）。研究进一步提出了智能和绿色回收技术的发展方向，旨在为学术研究和工业应用提供理论支持和实践指导。这一框架旨在促进锂离子电池中关键元素的高效回收和高价值利用，弥补可持续电池材料回收领域的现有空白，并推动建立包括“资源回收——高价值利用——工业闭环”的绿色循环系统。图1展示了废旧锂离子电池的固相/液相锂提取技术和回收途径的示意图。
部分内容摘录
液相中的选择性锂提取
在液相系统中，锂被选择性浸出到溶液中，而其他有价值的金属成分则留在固相中。这种选择性锂提取主要受三种机制驱动：化学试剂、电化学提供的氧势或高温高压水热条件。这些机制促进离子交换和氧化还原反应，从而促进正极材料的相变。本文回顾了最新的
固相选择性锂提取
固态选择性锂提取通常采用高温煅烧和机械球磨等物理和化学方法，破坏锂离子电池的晶体结构，并通过调节反应气氛来重组组分。在NCM正极材料中，锂（典型的碱金属）与镍、钴和锰（过渡金属）的化学性质有显著差异。基于这种差异，锂更有可能与特定物质发生反应
全组分回收
废旧锂离子电池的全组分回收和利用是应对全球资源短缺和环境挑战的关键策略。前端锂提取过程后剩余的正极材料富含铁、镍、钴和锰等有价值的金属，具有巨大的资源回收潜力。从技术发展的角度来看，全组分回收已演变为两种创新途径：闭环回收和非闭环回收
挑战与前景
尽管在从废旧锂离子电池正极材料中提取锂方面取得了显著进展，但大规模工业化仍面临多重挑战[110]。从技术和经济角度来看，如DES浸出和电化学方法等绿色技术受到高试剂成本和高能耗的阻碍，导致回收低价值电池（如LFP电池）的经济激励有限。从环境角度来看，传统方法
结论
在全球“双碳”目标和新能源产业快速发展的背景下，废旧锂离子电池已成为锂资源的重要二次来源。从正极材料中提取锂的前端相变技术在确保锂供应和推动新能源产业可持续发展方面具有战略意义。本文系统回顾了绿色高效锂回收技术的最新进展
作者贡献声明
宋柳冰：撰写——初稿撰写，资金获取。
杨启海：撰写——初稿撰写。
赵婷婷：撰写——审稿与编辑。
匡银杰：概念构思。
陈丽霞：数据整理，概念构思。
杨正：概念构思。
姜杰：数据整理，概念构思。
严群轩：方法论设计。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号21501015）、湖南省自然科学基金（编号2025JJ60894、2022JJ30604）以及湖南省研究生教育教学改革研究项目（编号2024JGZD050）的支持。
