从电池回收工艺水中通过电化学方法回收锂离子

《ChemSusChem》：Electrochemical Lithium-Ion Recovery from Battery Recycling Process Water

　　摘要

电化学脱盐是一种有前景的技术，可以用于从废弃电子产品中选择性回收锂离子或其他稀有离子，从而促进循环经济的发展。由于其高能量效率和选择性锂离子回收能力，这种方法对环境的影响较小，使其成为从废弃电池中回收锂离子的有力工具。目前很少有研究将电化学脱盐方法应用于实际废弃电池溶液中的锂离子回收。在这项工作中，使用从冷却水储罐中实际粉碎的锂铁磷酸盐（LFP）电池获得的溶液作为富含锂的来源，成功制备出了高纯度的锂离子回收溶液，整个过程仅消耗了1.10 kWh/kg的能量。

通过结合湿法粉碎废弃锂离子电池与高效电化学脱盐的简单两步工艺，我们成功回收了高纯度的锂离子溶液。这项工作为从废弃电池中电化学提取锂离子提供了一种新颖且简单的方法。

1 引言

选择性电化学脱盐是高效回收目标离子的重要技术[1]。该技术可用于回收有价值的离子，包括锂离子、钕离子和钇离子，以及其他稀有且昂贵的离子物种[2]。它还可以用于电化学去除水中的有毒离子，如铅离子和其他不需要的离子[3]。电化学脱盐已在各种浓度和实验室配制的溶液中得到了广泛研究。然而，关于其在实际水溶液中的应用以及实际应用方面的研究仍然不足[4]。鉴于当前和未来对资源枯竭的担忧，寻找回收产品以重新利用其组件的方法对所有技术的发展至关重要，尤其是对于能源存储技术而言。锂作为大多数先进电化学储能系统中的载流子，在汽车工业、可再生能源存储和电子领域等方面发挥着重要作用[5]。锂离子电池因其高能量密度、高功率密度以及长循环寿命而成为现代电池应用的首选[6]。尽管锂在自然界中含量较少，但只有三种具有重大经济价值的锂来源：伟晶岩、大陆蒸发岩（如盐湖）和含锂粘土[7, 8]。盐水资源占总储量的约78%[7]。大多数锂产自南美洲和亚洲[8]。这种锂生产的地理集中可能会对非锂生产地区的供应链和能源安全构成未来风险[9]。预计到2040年，对锂和钴的需求可能增加八倍[11]。电池的使用寿命有限，通常在几年到十年之间，具体取决于电池类型和负载[12]。这意味着未来将会有越来越多的废旧电池需要回收。因此，找到经济高效且环保的方法从废弃电池和其他电子产品中回收锂以创建循环经济将是一个重大挑战。回收锂离子电池可以回收有价值的材料，如锂、钴和锰，这些材料可以重新用于电子产品中，从而减少对新资源的开采需求[13]。Mrozik等人估计，电子废物占所有填埋废物的约4%，其中经常含有锂离子电池[14]。由于回收电子产品的比例较低，大多数含有锂离子电池的废物最终被填埋，这会对环境造成风险，因为锂具有相对较高的毒性[14]。填埋场火灾和生态系统破坏是锂离子电池进入填埋场后带来的许多破坏性影响之一[15, 16]。这些方面都强调了锂离子电池的循环利用对保护环境的重要性。目前，从废弃锂离子电池中回收的材料主要通过火法冶金和湿法冶金实现[17]。湿法冶金回收过程通常首先完全放电正极，以防止正极暴露在空气中时发生剧烈反应[18]。随后拆解锂离子电池，通过真空蒸馏去除残留溶剂和盐分，并用丙酮等溶剂溶解粘合剂。然后研磨电极并用无机酸浸出。通过溶剂萃取和/或沉淀法提取有价值的金属，通常先回收高价值元素（如钴、锰和镍），最后沉淀锂[19]。Porvali等人采用湿法冶金方法成功回收了纯度为95%的Li2CO3[20, 21]。然而，这种方法需要使用强酸（如HCl）和强碱来调节pH值，对环境造成较大负担。火法冶金过程包括放电正极，然后拆解电池。下一步是用还原剂（通常是来自石墨阳极的碳）将金属成分熔炼成金属合金[22]。除了金属合金外，还会形成较轻氧化物的渣（如氧化锂和氧化铝）。传统上，渣中少量锂的回收并未受到足够重视。不过，可以通过浸出和沉淀步骤从渣溶液中回收锂[20, 23]。Li等人采用湿法磁选工艺在熔炼后有效分离了有价值成分，分别实现了95.7%、98.9%和91.1%的钴、Li2CO3和石墨的回收率[20, 23]。这两种方法都需要添加会产生有害副产品的化学试剂，并且需要相对大量的能量输入[17]。据报道，火法冶金和湿法冶金的能耗分别为5.82至2.54 kWh/kg[24]。电化学脱盐作为锂离子回收的方法具有显著优势：其对锂离子的选择性高达50000，相对于其他离子；二氧化碳排放量低（9–11 gCO2/kWh）；能耗低（0.25 kWh/kg），是一种环保的高纯度锂提取方法[24-27]。这种方法不会产生有害化学物质或副产品，能够从水源中选择性回收离子。不同锂回收技术的对比见表S1（支持信息）[28-31]。Feng等人研究了在含LiCl的水溶液中循环1000次的LFP电池，报告了97.5%的容量保持率，表明在水系统中长期可持续提取锂离子的潜力[32]。本研究重点是从冷却水储罐中工业粉碎锂铁磷酸盐（LFP）电池获得的溶液中回收锂离子。整个过程中仅消耗了1.10 kWh/kg的能量，就获得了纯度为96%的锂离子溶液。此外，在100次循环后，锂离子的平均吸附容量达到了41 mg/gLFP。

2 实验描述

2.1 结构与化学表征

X射线衍射测量使用Bruker D8 Discover Diffractometer（Bruker AXS）进行，配备EIGER-2探测器和铜源（Cu Kα λ = 1.5406 ?, 40 kV, 40 mA）。粉末样品安装在光学玻璃样品架上，并在7°-100° 2θ范围内进行分析，记录的强度归一化为(0,100)。扫描电子显微镜图像使用Zeiss Gemini 500显微镜获取。加速电压为2 kV，样品通过双面铜带固定在铝制样品台上，观察时未添加额外的导电溅射涂层。电感耦合等离子体光发射光谱（ICP-OES）分析使用Spectro Arcos FHX3X仪器进行。使用压力为230 kPa、流量为0.8 L/min的雾化器，在1.3 kW的等离子体功率下测量各元素的特定波长。通过对几种已知样品进行校准，将离子浓度与其强度关联起来，从而确定回收溶液、初始工艺水溶液和稀释后的固体浸出溶液的浓度。透射电子显微镜观察使用2100F系统（JEOL）在200 kV电压下进行。样品在超声浴中分散后干燥在碳涂层铜网格上。

2.2 材料浸出

实验中，一个LFP电池单元（CALB，LFP，3.2 V，100 Ah，4.35 kg）在湿环境中使用单轴旋转剪切机（Erdwich，型号M700/1-600?15，23.5 kW）进行粉碎，该剪切机配有20 mm的出口筛网。粉碎过程旨在尽可能彻底分解材料，以便进一步处理并通过液相分离电解质。结果，许多金属盐溶解在工艺水中。接下来，通过真空过滤分离所有固体和不可溶性颗粒（如石墨颗粒）。使用电感耦合等离子体光发射光谱（ICP-OES）分析工艺水中的各种阳离子的元素组成。该溶液直接用作富含锂离子的溶液用于回收锂离子。同时分析了固体中的锂含量。将固体溶解在王水中，在80°C下搅拌12小时，然后真空过滤去除不可溶性成分（如石墨）。所得溶液进行稀释后，通过ICP-OES测量锂离子浓度。固体中的锂不再进一步提取，仅用于了解液相中的总锂含量。

2.3 电极制备

商业LFP与乙炔黑导电碳（Alfa Aesar，99.5%）和聚偏二氟乙烯（PVdF，Alfa Aesar）按8:1:1的质量比混合在1-甲基-2-吡咯烷酮（NMP，Sigma–Aldrich，99.5%）中。粉末组分在Hauschild SpeedMixer DAC 150 SP中以1000 rpm的速度混合5分钟。为了达到所需的浆料稠度，边混合边逐渐加入NMP。然后在1500 rpm下混合5分钟，再在2500 rpm下混合5分钟。最后加入10%质量的PVdF粘合剂NMP溶液，最后以800 rpm混合10分钟。通过磁力搅拌12小时使浆料均匀。随后，将浆料通过刮刀涂层法沉积在石墨纸（SGL，300 μm基底）上，形成200 μm厚的湿膜。在室温下干燥过夜后，再在100°C下真空干燥12小时以蒸发残留溶剂。从干燥后的涂层中冲压出直径为30 mm的圆盘作为工作电极。干燥后的电极涂层厚度为65–70 μm，材料负载量为3.9 mg/cm2。

2.4 电化学电池组装和实验细节

组装了两种类型的电化学脱盐电池用于提取锂。电池1在含有与工艺水中相同阳离子浓度的实验室配制的溶液中进行循环，这些阳离子与氯离子结合。电池2在实际粉碎的电池过程中使用的溶液中循环。此后，电池1和电池2分别指它们所循环的电解质。在电化学脱盐实验的放电步骤中，使用初始浓度为10 mM KCl的100 mL回收溶液来释放储存的锂离子。对于电化学表征测试，定制了三电极结构的静态电化学电池。这些电池由聚醚醚酮（PEEK）外壳、弹簧加载的钛活塞、涂有碳的LFP电极和过大的商用活性炭布（Kynol-15?5092）作为对电极（CE）组成[33]。使用两层玻璃纤维隔膜（GF/A，210 μm厚度，Whatman）防止两个电极之间短路，这些组件堆叠排列[34]。在工作电极和CE附近的孔中放置了Ag/AgCl参比电极。电解质通过真空填充方式注入电池。图S3A展示了一个组装好的静态电化学电池的照片。锂离子回收实验是在一个定制的流动电化学电池中进行的，该电池由一个亚克力玻璃通道组成，允许溶液连续流过电化学电池[35]。在整个电池中使用了硅垫圈以防止泄漏；石墨块被用作电池的电流收集器。工作电极和电流收集器都被切割成30毫米的圆形电极，并与石墨电流收集器接触。电极通过亚克力流动通道分隔开。流动通道的内部是一个直径为28毫米的圆形孔，其中填充了尼龙网和玻璃纤维隔板，以防止短路并确保电流收集器与电极之间的良好接触。图S3B显示了一个组装好的流动电化学电池的照片。为了使系统能够连续运行，在电池1中使用了阴离子交换膜（Fumatech，FAS-30）[36]。这防止了放电过程中阳离子（共离子）从电流收集器中不希望的排出，从而确保电流收集器的活性不会影响回收溶液中的阳离子浓度。由于电池溶液的性质，有机成分和较大的颗粒杂质导致电池2中的阴离子交换膜（AEM）堵塞，因此电池2在后续循环中不使用AEM。为了避免放电过程中共离子从电流收集器中排出的问题，电池用超纯水仔细清洗，然后在每次放电前更换新的电流收集器。使用ICP-OES测量了回收溶液中Li+、Na+、Mg2+和Co3+的浓度变化[37]，这些浓度变化用于确定阳离子组成，从而确定锂的纯度。通过将每个循环中回收的锂离子数量除以总回收离子数量来计算锂的纯度和电池的脱盐能力。

3 结果与讨论
电化学脱盐通过施加电流穿过电化学电池来去除水中的溶解离子。由于诱导的电势产生的极化作用，水中的离子被吸引到带相反电荷的电极上，从而导致它们的电化学吸附[38]。在充电过程中，阳离子向负极移动，而阴离子向正极移动[27]。然后在放电过程中，这些离子被释放回另一个溶液中，从而实现回收。当使用可逆的锂离子选择性电极材料或膜时，电化学脱盐可以用来选择性地从溶液中提取锂离子。该电池可以在室温下操作，不需要输入有毒化学物质，并且除了驱动锂吸附的电力和不断循环溶液的泵之外，不需要额外的能量输入。在电化学脱盐的充电步骤中，通过粉碎LFP电池在冷却水储液器中获得进料溶液，为锂离子提供来源。锂离子在充电过程中嵌入LFP结构中。在放电过程中，这些锂离子从LFP结构中释放出来。锂离子被释放到一个单独的水溶液回收溶液中。选择LFP作为工作电极材料，是因为它对Li+的选择性高于其他竞争离子，如Na+或Mg2+。这种选择性主要由两个现象决定：尺寸和动力学，以及电荷和水合作用。尺寸和动力学：LFP具有沿[010]方向的一维通道的橄榄石晶体结构。虽然Li+（约0.76 ?）可以自由通过这些通道，但较大的离子，如Na+（约1.02 ?），由于其尺寸较大，会在进入晶格时遇到动力学瓶颈。Na+的嵌入基于循环伏安法数据，在较高的过电位下进行，通过排除Na+离子嵌入发生的电位窗口来避免其大量嵌入[39]。电荷和水合作用：尽管Mg2+（0.72 ?）的离子半径与Li+几乎相同，但其二价电荷与磷酸盐晶格中的氧原子产生了更强的静电相互作用，使其难以插入这些位置。此外，其较高的水合能也是其插入晶格的巨大障碍，因为需要更多的能量来剥离Mg2+上的水分子[25]。图1展示了从电池中回收锂离子的简化过程。LFP电池在工艺水储液器中被粉碎2.5分钟。然后将该溶液过滤并通过电化学电池泵送。在电池上施加电流，导致锂离子的吸附。这些离子在放电过程中被释放到另一个单独的溶液（回收溶液）中。经过多个循环后，回收溶液中的锂离子浓度增加，从而得到富含锂离子的回收溶液。然后可以通过进一步处理步骤（如蒸发）将这种富含锂离子的溶液进一步加工成固体锂盐。这种固体盐的组成取决于阴离子的组成，可以包括Li2CO3、LiCl或其他含锂离子的盐。

LFP电池在工艺水中被粉碎，产生富含锂的水流。这种水流被泵送通过电化学电池，在那里施加的电势选择性地捕获锂离子。在充电过程中，锂离子被去除，从而使工艺水得到脱盐；在放电过程中，捕获的锂被释放到另一个回收溶液中。此外，在充电过程中投入的一些能量可以在放电过程中回收，用于驱动其他脱盐电池或其他电子设备。因此，该系统可以被视为一种脱盐电池，其中锂离子可以被回收，并且能量可以通过电化学方式储存[40]。关于锂离子电池中存在的其他稀有元素（钴、镍等）的重要考虑也不能忽视，回收这些元素可能需要一些浸出和/或温度处理，这些在本文中没有讨论。作为程序的第一步，LFP电池被粉碎，并通过ICP-OES分析了所得到的液体溶液。通过ICP-OES分析电解质中各种阳离子的元素组成，得到了表1中呈现的浓度。测量了12种不同的元素，假设除了锂之外，这些元素可能存在于溶液中。检测到锂离子的浓度为45.76 mM，而所有其他竞争离子的浓度相对较低。第二高的离子浓度是钠离子，为0.71 mM。溶液中可能还存在其他浓度的元素；然而，据我们所知，这些元素是最有可能溶解在粉碎电池溶液中的竞争离子。对于所有其他测量的阳离子（Al3+、Ca2+、Co2+/3+、Fe3+、K+、Mg2+、Mn2+/4+/7+、Ni2+、Zn2+、Cu+/2+），在工艺水溶液中的浓度均低于0.5 mM。Qin等人报告了在0.1至1 M浓度范围内LiCl溶液的锂离子提取率和离子选择性几乎相同[41]。因此，确保溶液的浓度足以实现最佳提取率。表1. 粉碎电池溶液中的阳离子浓度。n.d.* = 未检测到。浓度，mM。

此外，通过ICP-OES分析了过滤出的固体产物，以确认其中含有的锂量。将固体在王水中浸出12小时，以确保固体产物中所有锂离子的完全溶解。根据冷却水储液器中的固液比例（每1升工艺水溶液3.5克固体材料），确定固体中锂离子的总百分比为12.3%，液体中的锂含量为87.7%。这种富含锂离子的工艺溶液随后被用作剩余电化学脱盐测试的进料水源。这些锂离子回收研究中不再考虑固体中的锂含量。LFP电极通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和X射线衍射（XRD）进行了表征。原始样品和循环后的样品的扫描电子显微照片显示颗粒大小为10–100纳米，循环100次后，循环后的电极在形态上与原始材料没有明显差异（支持信息，图S1）。透射电子显微照片中的主要较暗颗粒可以与橄榄石LFP结构相关联。这些LFP颗粒周围的较浅、不清晰的基质与非晶碳涂层的存在一致（支持信息，图S2B）。XRD分析证实了原始材料的橄榄石相和高结晶度（支持信息，图S2A）。在工艺水溶液中循环100次后，对循环后材料的XRD分析显示（200）、（311）和（020）反射的2θ位置显著减小，表明由于反复的锂离子嵌入，晶格沿这些平面发生了膨胀。在实验室混合的电解质和粉碎的工艺溶液中测试了由LFP工作电极组成的静态电化学电池。该系统通过循环伏安法进行了电化学表征，扫描速率为1 mV/s，如图2A,D所示，分别对应于在实验室混合电解质和工艺水溶液中的电池。两个伏安图上都显示了明显的氧化还原峰，这可以与锂离子进入和离开LFP结构的嵌入过程相关联。此外，两个电池都在大约?0.25 V vs. Ag/AgCl处显示了一个轻微的还原峰，这可能与另一种离子物种（可能是钠离子）嵌入LFP结构有关。然而，这无法得到确认，需要在不同的电解质中进行进一步研究以确认这一点。图2显示了在实验室混合电解质中以1 mV/s扫描速率进行的LFP电极的循环伏安图（A）。在实验室混合电解质中以0.05 A/g的特定电流进行了恒电流充放电曲线（B）。在实验室混合电解质中以0.05 A/g的特定电流和-0.5 V vs. Ag/AgCl的充电电位以及+0.5 V vs. Ag/AgCl的放电电位进行了恒电流充放电循环性能（C）。在工艺水溶液中以1 mV/s的扫描速率进行了LFP电极的循环伏安图（D）。在工艺水溶液中以0.05 A/g的特定电流进行了恒电流充放电循环性能（E）。在工艺水溶液中以0.05 A/g的特定电流和-0.5 V vs. Ag/AgCl的充电电位以及+0.5 V vs. Ag/AgCl的放电电位进行了恒电流充放电循环性能（F）。在两种电解质中的静态电池设置中，以0.05 A/g的特定电流和-0.5 V vs. Ag/AgCl的充电电位以及+0.5 V vs. Ag/AgCl的放电电位进行了恒电流充放电循环。图2B,C显示了在实验室混合电解质中电池的前25个循环的充放电曲线及其容量。电池的平均容量为133 mAh/g。图2E,F显示了在真实电池工艺水溶液中的电池的前25个循环的充放电曲线及其容量。电池的平均容量为109 mAh/g。两种电池的电化学特征和平均容量点表现出几乎相同的行为。Arnold等人记录了在LiCl溶液中循环碳涂层LFP的初始容量为123 mAh/g，20循环后降至约100 mAh/g，表明两种静态电化学电池表现出类似的容量[42]。作为下一步，在实验室混合电解质和工艺水溶液中测试了流动电化学电池，以测试它们的锂离子回收能力。在第一次充电步骤之前，施加了1.0 V的电池电位以去除LFP电极结构中存在的锂离子。为了从溶液中回收锂离子，在用去离子水清洗后，以-0.5 V的充电电位和0.05 A/g的特定电流进行电化学充电。然后，锂离子被放电到回收溶液中，该溶液最初含有10 mM的KCl，充电电位为0.5 V，特定电流为0.05 A/g。使用实验室配制的电解质（电池1，图3A）和工艺用水溶液（电池2，图3B）对锂离子回收电池的电化学性能进行了100次循环的比较。电池1显示出较高的初始容量，随后容量急剧下降，之后恢复到约65 mAh/g的峰值容量。这种异常可能是由于暂时性表面相的不可逆消耗，随后LFP的体相仍在激活过程中，尚未达到其全部潜力。然而，其容量稳定性较差，在100次循环后急剧下降到低于25 mAh/g。电池2表现出更典型的行为，从低容量开始，在10次循环后迅速上升到120 mAh/g的峰值容量。这种初始低容量表明内部电阻较高，可能是由于LFP颗粒润湿不完全所致。随着循环的进行，电极/电解质界面趋于稳定，颗粒完全润湿，从而能够接触到体相材料，并在100次循环后达到更大的持续容量（80 mAh/g）。图3在图查看器中打开。

通过流动电化学电池的循环获得了电化学数据。(A)、(B)、(C) 分别是电池1、电池2和电池3在流动电池设置中100次循环的容量和库仑效率。(D) 考虑所有单独离子成分的总平均释放容量。(E) 显示排除锂离子后的所有离子种类的总平均释放容量。第三个电化学流动电池（电池3）在没有阳离子交换膜（AEM）的情况下在实验室配制的溶液中组装并进行了循环，实验过程与电池1和电池2相同。图3C显示了电池3在100次循环中的电化学性能。该电池的行为与电池1几乎相同，最初表现出较高的初始容量，随后容量急剧下降，然后恢复到约113 mAh/g的峰值容量。这种异常可能是由于暂时性表面相的不可逆消耗，随后LFP的体相仍在激活过程中，尚未达到其全部潜力。然而，其容量稳定性较差，在100次循环后急剧下降到30 mAh/g。它的平均容量高于电池1，但显著低于电池2。在人工溶液与工艺用水溶液中循环的电池之间的差异不能仅由电池中的AEM的存在来解释，可能是由于人工电池溶液中LFP的某些不可逆消耗所致。为了评估锂离子提取的长期性能，在100次循环稳定性测试期间分析了回收溶液的离子浓度。测量了电池1和电池2的最终回收溶液浓度。基于15次放电循环的平均总浓度，电池1的平均循环释放容量为13 mg/g或1.9 mM/gLFP。电池2的平均锂离子释放容量显著更高，为41 mg/g或5.9 mM/gLFP。电池2的回收容量接近LFP的理论极限（44 mg/g）。这可能是由于一些残留盐分附着在电池组件或管路上，尽管进行了清洗程序，但这些盐分仍被包含在浓度分析中。并非所有存在于回收溶液中的锂离子都可以归因于电化学活性和机械携带（盐分在电极多孔结构中的迁移），这也必须解释溶液中存在的一些离子。这种迁移可能是由于冲洗协议无效所致，从而导致离子浓度略有夸大。然而，两个电池的锂离子回收量之间的巨大差异直接反映了100次循环中两个电池的容量差异，表明电化学回收是电池2中锂离子回收的主要机制。图3D显示了回收溶液的完整阳离子组成。对于电池1，第二大的回收容量是钠离子，回收容量为0.6 mg/g或0.03 mM/gLFP。对于电池2，第二大的回收容量也是钠离子，回收容量为4.0 mg/g或0.2 mM/gLFP。其余离子（锰离子、镁离子和钴离子）的平均回收容量对于两个电池都小于0.05 mM。图3E显示了除锂离子外所有元素的回收溶液的平均离子组成，以便更容易表示其他平均离子浓度。电池1显示出98%的纯锂离子回收溶液，而电池2显示出96%的纯锂离子回收溶液。回收溶液中存在的其余阳离子（杂质阳离子）主要由钠离子组成，对于电池1和电池2都是如此。考虑所有测量离子的100次循环的总平均脱盐容量分别为电池1的14 mg/g和电池2的49 mg/g。这两个值之间的巨大差异可能是由于电池1的不可逆消耗，或者由于电池1的AEM导致了更大的动力学障碍，使得LFP颗粒的完全激活所需时间更长。电池溶液（电池2）实现的脱盐容量高于大多数文献报道的容量。例如，Xu等人开发的系统在盐水中展示了较低的脱盐容量为27 mg/g。相比之下，我们的系统实现了49 mg/g的容量，显示出该系统在工艺用水溶液中的良好性能[43]。根据提取锂离子所需的总能量分析，预计电池2的能量消耗为1.10 kWh/kg。这里，该值包括了粉碎过程（0.5 kWh/kg）、泵送过程（0.1 kWh/kg）和充电电池所需的电力（0.5 kWh/kg）的能耗。用于确定电化学电池能耗和性能指标的计算在支持信息文档中有详细描述。基于能耗，其能耗低于火法冶金和湿法冶金过程的4.72 kWh/kg和1.44 kWh/kg。这种电化学锂离子提取方法消除了湿法冶金和火法冶金过程所需的预焙烧步骤，使其显著降低了能耗。此外，它在过程中不需要使用有毒化学物质或产生任何有毒副产品。这使得它成为从废旧电池溶液中有效提取锂离子的一种有前景且更环保的替代方法。

4 结论

由LFP工作电极组成的电化学电池对锂离子具有高选择性，从而通过电化学提取产生高纯度的锂离子回收溶液。从电池1和电池2获得的富含锂离子的回收溶液的纯度分别为98%和96%。电池2的高锂离子回收容量为41 mg/g和低能耗1.10 kWh/kg，使其成为其他锂离子回收方法的环境友好型替代方案，且不产生任何有毒副产品。可以进一步处理步骤从粉碎电池后获得的固体产品中提取其他有价值的资源。在高浓度锂离子溶液过滤后，所得到的黑色物质可以通过浸出或熔炼来提取其他稀有电池成分。此外，还需要进一步的研究来确认其他锂离子电池化学成分（如LMO、NMC、LCO等）的粉碎过程是否也能产生适合锂离子电化学回收的溶液。尽管性能优异，但由于更换CE时的手动劳动以及AEM的堵塞，无法实现连续操作。需要进一步的研究来开发一个不受电解质中有机成分影响的系统。

附加支持信息可以在支持信息部分在线找到。其中包含了与锂离子回收相关的每个过程步骤的能量消耗计算的详细信息。此外，还包含了用于计算电化学脱盐性能指标（脱盐容量、锂纯度等）的公式详细信息。还包含了描述LFP电极的图表。

作者贡献

Peter Burger：研究、概念化、数据整理、可视化、初稿撰写、审阅与编辑。Sa?d Mondahchouo：研究、撰写、审阅与编辑。Stefanie Arnold：研究、撰写、审阅与编辑。Moritz Goldkuhle：研究、撰写、审阅与编辑。Sabine Flamme：撰写、审阅与编辑。Volker Presser：概念化、监督、验证、资源提供、可视化、初稿撰写、审阅与编辑、项目管理、资金获取。

致谢

我们感谢德国研究基金会（DFG, Deutsche Forschungsgemeinschaft）对SELECT项目（PR 1173/33）的资助，感谢欧盟通过欧洲区域发展基金（EFRE）和德国萨尔州政府对eLiFlow项目的资助，以及萨尔州政府对EnFoSaar项目的资助。开放获取资金由Project DEAL提供和组织。

本研究得到了德国研究基金会（PR 1173/33）、欧盟通过欧洲区域发展基金（eLiFlow）和萨尔州政府的支持。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

如有进一步信息、资源或材料的请求，请联系主要联系人Volker Presser（[e-mail]）。

材料可用性

作者没有需要报告的内容。

数据和代码可用性

本研究生成的数据包含在手稿和支持信息中，并将根据请求由主要联系人提供。

数据可用性声明

支持本研究发现的数据可通过zenodo获取：https://doi.org/10.5281/zenodo.19681336。