网络首发||胡敬平教授：废旧锂离子电池正极材料有价金属的回收及高值化利用研究进展
文摘
科学
2024-07-02 10:05
浙江
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锂离子电池凭借其高比容量、高能量密度等优势，广泛应用于清洁能源储存和动力转化领域。近年来，随着电动汽车生产量的快速增长，锂离子电池的需求量也在不断攀升。但锂离子电池正常使用寿命仅为5~6年，在可预见的未来，大量具有高附加值资源与污染双重属性的废旧锂离子电池也将达到井喷式报废期。目前，废旧锂离子电池正极材料的传统闭环回收方法主要包括直接再生、火法回收和湿法回收，这些方法主要是将废旧电池正极材料中的有价金属回收并再生用于电池工业。同时，关于废旧锂离子电池正极材料非闭环高值化的研究也大量涌现。本论文系统论述了废旧磷酸铁锂与三元正极材料有价金属的闭环回收处理现状，以及废旧锂离子电池正极材料有价金属非闭环转化为其他储能装置的电极材料或环境功能材料的潜力，并从产业角度对两种不同回收模式的工艺和产品性能进行了比较和评价。在此基础上总结了废旧锂离子电池正极材料闭环回收与非闭环高值化利用相关的挑战与发展趋势，为废旧锂离子电池正极材料的合理处置提供了重要参考，助力新能源产业的绿色可持续发展。
胡敬平，教授、博士生导师，华中科技大学环境学院实验中心主任，入选国家人才项目（青年项目）。2008年博士毕业于英国牛津大学，博士毕业后先后在英国诺丁汉大学和牛津大学从事博士后研究工作，2011年当选牛津大学拉姆齐研究学者（Ramsay Fellow）。聚焦环境科学与工程领域，开展固废资源化、环境仿生催化、环境大数据的研究。主持英国The Ramsay Memorial Fellowships Trust项目、国家自然科学基金面上项目与青年项目、湖北省自然科学重点基金、国家重点研发计划“固废专项”的课题，承担科技部“青年973”项目和国家自然科学基金创新群体项目，在Advanced Materials、Angewandte Chemie、Advanced Functional Materials等期刊发表论文200余篇，4篇论文入选ESI高被引论文，H因子48，其中近五年第一作者及通讯作者论文32篇；单篇最高他引260余次，总他引超过6600次（Jingping Hu (0000-0001-9984-6636) (orcid.org)），授权发明专利10余项（含3项国际发明专利）、软件著作权3项。担任国际期刊Energy & Environmental Materials副主编、《能源环境保护》青年编委、巴塞尔公约亚太区域中心化学品和废物环境管理智库专家、湖北省资源综合利用协会专家委员会委员。
废旧锂离子电池正极材料有价金属的回收及高值化利用研究进展
梅延润1,2，刘龙敏1,2，陈然1,2，侯慧杰1,2，胡敬平1,2,*，杨家宽1,21. 华中科技大学 环境科学与工程学院
2. 固废处理处置与资源化技术湖北省工程实验室
1. 国家重点研发计划资助项目（2023YFC3902802）
2. 国家自然科学基金面上资助项目（52170134）
锂离子电池因其能量密度高、循环寿命长等独特优势，已成为移动电子设备与电动汽车的主要电源之一。然而，锂离子电池在正常使用和梯次利用报废后，若未能合理处置，将导致巨大的资源浪费和严重的环境污染问题。目前，废旧锂离子电池正极材料的传统闭环回收方法主要包括直接再生、火法回收和湿法回收，这些方法主要是将废旧电池正极材料中的有价金属回收并再生用于电池工业。同时，关于废旧锂离子电池正极材料非闭环高值化的研究也大量涌现。然而，由于相关研究分化程度高、隔离性强，缺乏对废旧锂离子电池正极材料有价金属的传统闭环回收与非闭环高值化研究现状和前景的系统性整理和评价。为弥补该不足，系统论述了废旧磷酸铁锂与三元正极材料有价金属的闭环回收处理现状，以及废旧锂离子电池正极材料有价金属非闭环转化为其他储能装置的电极材料或环境功能材料的潜力，并从产业角度对两种不同回收模式的工艺和产品性能进行了比较和评价。在此基础上，简要概述了废旧锂离子电池正极材料闭环回收与非闭环高值化利用相关的挑战与发展趋势，为废旧锂离子电池正极材料的合理处置提供了重要参考。
近年来，伴随着新能源汽车数量的增加，锂离子电池需求和容量快速增长，2020年用于全球电动汽车的锂离子电池产量仅为747GW·h，预计到2025年将增至2492GW·h。然而动力电池的寿命一般在5~6年，大量具有高附加值资源与污染双重属性的废旧锂离子电池也将达到井喷式报废期。废旧三元锂离子电池含有丰富的有价值的金属物质，如锂、镍、钴、锰等，这些贵重金属在世界各国分布不均匀且稀缺，相较于直接开采的金属矿物，从废旧三元锂离子电池中回收的贵重金属品质更高。因此，回收废旧三元锂离子电池（NCM）有着较高的经济价值，同时也能在一定程度上减轻对贵重金属矿物资源的依赖。除三元锂离子电池，磷酸铁锂电池（LFP）作为动力电池的一种，因其高稳定性和低成本，也广泛应用于电动汽车领域，例如，特斯拉电动汽车从2021年开始将旗下两款电车Model 3和Model Y从三元锂离子电池换为磷酸铁锂电池，比亚迪动力汽车的电芯也多为磷酸铁锂电池。快速增长的磷酸铁锂电池市场不可避免会产生大量废旧磷酸铁锂电池。与其他种类的电池相比，由于磷酸铁锂除含有锂外，不含其他贵重金属，因此在回收市场上受到的关注度并不高，但这并不意味着回收磷酸铁锂电池的工作无足轻重。若废旧的锂离子电池未能得到妥善处置，可能会导致严重的环境污染问题；而采用相关技术对废旧电池进行高值化利用，就能变废为宝，甚至带来可观的经济效益。目前对废旧锂离子电池正极材料的传统闭环处置主要包括火法、湿法或者直接回收等一系列技术手段。将失效/受损的正极材料再生合成新的正极材料或正极材料前驱体，例如Li2CO3、Li3PO4等锂盐，再与回收得到的FePO4再生磷酸铁锂正极材料。三元正极材料则多采用氧化剂/还原剂浸出正极材料中的有价金属Li、Ni、Co、Mn，加入共沉淀剂后得到前驱体，煅烧得到再生的三元正极材料。通过改性再生的前驱体和对回收的元素进一步加工，得到高值化产品，例如钠离子电池正极材料、新型催化剂、吸附剂等，应用于其他领域，进一步扩大废旧锂离子电池的使用范围，提高其价值。![]()
图1 水热法直接再生废旧锂离子电池示意图
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图2 废旧锂离子电池的典型火法冶金回收工艺
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图3 典型的传统湿法冶金回收废LiFePO4工艺流程图
梅延润, 刘龙敏, 陈然, 侯慧杰, 胡敬平, 杨家宽. 废旧锂离子电池正极材料有价金属的回收及高值化利用研究进展[J/OL]. 能源环境保护: 1-12[2024-07-01]. https://doi.org/10.20078/j.eep.20240609.
MEl Yanrun, LIU Longmin, CHEN Ran, HOU Huijie, HU Jingping, YANG Jiakuan. Recent advances on the recovery and high-value utilization of valuable metals from cathode materials of spent lithium-ion batteries[J/OL]. Energy Environmental Protection: 1-12[2024-07-01]. https://doi.org/10.20078/j.eep.20240609.
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编辑｜姚情璐
审核｜金丽丽
