锂离子电池废阴极黑粉酸浸回收锂与钴的技术经济及环境评估

《Results in Engineering》：Lithium and Cobalt Recovery from Spent Lithium-Ion Batteries by Acid Leaching: A Techno-Economic and Environmental Assessment

　　

酸浸湿法冶金（Acid Hydrometallurgy, AH）是从废锂离子充电电池中回收锂（Li）与钴（Co）应用最广泛的工业技术之一，现有多种回收路线，浸出酸种类影响工艺流程结构及其技术经济与环境表现。研究人员以墨西哥瓜纳华托州每日111 kg阴极黑粉（Cathodic Black Mass, CBM）批处理为场景，评估回收生产Li2CO3与金属Co的初步技术经济与环境性能。分析表明，在所评条件下草酸（Oxalic Acid, OA）基工艺最具潜力：按Eco-indicator 99（EI99）法环境负荷为622.69 mPt/批次，嵌入能（Embodied Energy, EE）1596 MJ/批次，碳足迹（Carbon Footprint, CF）65 kg CO2eq/批次（ESCAPE法）；投资（Investment Amount, IA）898.67 KUSD，年生产成本（Annual Production Cost, APC）191.5 KUSD/年，投资回报率（Investment Return Rate, IRR）21.52%，回收期4.64年。敏感性分析显示，±5%波动浸出酸、Na2CO3、Li2CO3及金属Co价格时，OA工艺回收期变幅4.07–4.84年，波动较小。上述结果在具体假设与小试规模下凸显OA优势，但是否具备工业可行性仍需更大规模与不同运行情境验证。

研究背景方面，自1991年索尼商业化锂离子电池（Lithium-Ion Batteries, LIB）后，需求由2005年20.5亿支增至2010年46亿支，寿命1–3年，产生大量废锂离子电池（Spent LIB, SLIB）。SLIB含重金属与电解液等有害组分，同时富含Co、Li等稀缺金属，目前仅约5%被回收。原矿提锂受供过于求影响价格由2023年34.19 USD/t跌至2025年10.62 USD/t，而Co价因刚果（金）供应集中及污染与童工问题由26 USD/t升至33.3 USD/t。湿法回收较原矿提取应具备成本与环境优势，但缺乏针对酸浸（AH）及Li₂CO₃与金属Co生成纯化（Generation and Purification of Li₂CO₃ and Metallic Co, GPLC）路线的系统技术经济与环境（Techno-Economic and Environmental, TEE）评估。研究人员在《Results in Engineering》发表该研究，以墨西哥瓜纳华托州手机报废量推演CBM 111.06 kg/天批处理基准，对比盐酸（HA）、柠檬酸（CA）、草酸（OA）、硫酸（SA）、硝酸（NA）五条AH-GPLC路线，经设备选型、成本折算（2004至2025成本指数400→825）、EI99与ESCAPE核算，选出最优工艺并给出P&ID与布置图。

关键技术方法上，研究人员基于Scopus/SCI文献建立CBM元素构成（Li 3.44%、Co 9.19%、Mn 17.87%、Ni 19.41%），以R_SL（固液比）、温度、时间、回收率为参数标定五条酸浸路线；采用垂直圆柱容器（ASME B封头）与Chemineer桨叶设计反应器/储罐，按Eq.(1)–(5)算淡水耗、滤板数、热负荷、设备现价；环境端用EI99（层次观，聚合人类健康损伤HHD、生态系统质量损伤EQD、资源耗竭RD三维度）与ESCAPE（嵌能EE与碳足迹CF）双法；经济端算IA、APC、IRR、回收期并做±5%敏感性；最后对优胜路线OA做详细设备表、P&ID（图14）、厂区布置（图15）。

研究结果部分，引言指出AH回收效率高于碱法（AKH仅Li 27%、Co 20%），且火法（PM）资本高、排放大，故聚焦五酸AH。处理阶段小节中，预处理采用20% NaCl放电4.4 h、超临界CO₂提LiPF₆、SA再生石墨95%、有机溶剂脱PVDF；CBM段五酸性能汇总为HA（89%/89%，80℃，R_SL20）、CA（100%/90%，90℃，R_SL20）、OA（98%/97%，95℃，R_SL15）、SA（99.5%/99.1%，50℃，R_SL100）、NA（95%/95%，75℃，R_SL20）。GPLC各酸分支流程显示：HA/CA/NA经NaOH沉Co(OH)₂、H₂SO₄转CoSO₄后电积得Co，滤液Na₂CO₃沉Li₂CO₃；OA则浸出得CoC₂O₄沉淀、Li₂C₂O₄/LiHC₂O₄留液，加Na₂CO₃制Li₂CO₃，CoC₂O₄酸溶电积；SA需Cyanex 272萃Co、2 M H₂SO₄反萃。结果小节Table 4–8显示：淡水耗SA最低1140 L/批，OA最高7601 L/批；EI99五者相近（622.69–624.66 mPt），毒性粉尘占99.85%归入EQD；批收益OA最高（NG下331 USD/批），CA亏损；单位成本上OA提Co 10.46 USD/kg低于矿石20–40，但Li₂CO₃ 20.83 USD/kg高于矿石6–8；ESCAPE下OA的EE 2633 MJ、CF 350 kg CO₂eq优于SA的13836 MJ、605 kg；OA的IA 898.67 KUSD、APC 191.5 KUSD、IRR 21.52%、回收期4.64年，远优于SA（IA 1036 KUSD，回收期12.82年）。讨论与结论部分翻译总结为：在111 kg/天CBM批处理、NG供热、CBM零成本假设下，草酸AH-GPLC路线因原料省（无强腐蚀设备溢价）、Embedded Energy与CF低、IRR高且回收期小于5年，被判为五酸中最具工业放大潜力者；但研究排除Al/Fe净化与SA萃取剂再生专有数据，结论受2025年Li/Co低价与墨西哥电价/气价情景限制，更大规模连续化与不同地域敏感性待补。

该研究意义在于首次将五条传统酸浸GPLC路线置于同一TEE-LCA框架，给出设备级报价与P&ID，证明非腐蚀性OA在中小规模手机LIB回收中可兼顾环境与收益，为拉美地区SLIB本地化回收厂概念设计提供量化底图。