第一作者：Mai K. Tran

通讯作者：Ganguli Babu, Pulickel M. Ajayan

通讯单位：莱斯大学

研究亮点：

1. 发展了一种全新的锂离子电池绿色回收溶剂。

2. 回收工艺集绿色环保、高效、低成本等优势于一身。

形势严峻

小型电子产品中的锂离子电池寿命一般为3年左右，电动汽车中锂离子电池的手寿命为5-10年。随着人类社会对可充电锂离子电池的不断需求，锂离子电池将会产生大量废弃物。据估计，2020年中国将产生100万吨左右的锂离子电池废弃物。

在这些废弃物中，有很多材料是可以，并且值得回收使用的。譬如正极材料中高达15%含量的金属Co。Co是一种战略性金属材料，价格相对较贵，更重要的是，Co矿大量存在于非和平地区，不易获得。除此之外，大量的Co积累也会引发环境问题和健康问题。

由此可见，从锂离子电池回收特定材料，可以最大限度地减少废弃物的环境影响，并极具经济价值。然而，目前并没有一种合适的回收策略。

目前回收方法的局限性

废旧锂离子电池的大部分回收价值都在正极材料中，目前提取活性氧化锂中所含金属的常用方法主要包括以下四种：1）火法冶金；2）湿法冶金；3）生物冶金；4）机械方法；或者四种方法的交叉组合。

其中，火法冶金在工业上颇为常见。但是它需要在极端温度（1400°C或更高）条件下进行，高能耗导致成本较高，而且还会释放有害烟雾气体，需要采取严格的安全和环保预防措施。此外，仅使用这种方法不能完全回收所有金属。

湿法冶金也是较常见的选择，其优点在于具有较高的金属浸出率，回收产品纯度较高。可惜的是，这种技术通常也会涉及腐蚀性试剂，如盐酸，硝酸和硫酸，这对工人和环境都造成一定危险。

文献中报道的一些“绿色溶剂”策略，如利用有机酸等非危险材料解决环境安全问题显示出诱人前景，但还不成熟。例如，苹果酸可以浸出二价金属离子，但还需要额外的还原剂来加速锂离子电池中高价离子的溶解过程。草酸可作为浸出剂和还原剂，但由于其不能完全溶解所有正极活性材料，还需要高温热解过程加以辅助。

绿色回收方法的新突破

2019年4月2日，美国莱斯大学Pulickel M. Ajayan和Ganguli Babu团队报道了一种全新的锂离子电池废弃物绿色回收之路，使用深共晶溶剂（DES）从LIB废物中回收有价值产品。

绿色回收工艺示意图

要点1. 无敌的DES溶剂

DES是一类化合物，通常具有超高的溶解金属氧化物的能力。这些溶剂是氢键供体和受体的低共熔混合物，成本较低，易于制备并由相对无毒和可生物降解的化合物制成，譬如氯化胆碱和乙二醇的混合物。这种特殊的DES是一种“绿色溶剂”，它可以作为有效的浸出剂和还原剂，不需要还原剂和/或昂贵的溶剂萃取剂，也不需要复杂工艺就能实现金属高纯度提取。研究表明，这种DES能够处理多种锂离子电池废弃物中的多种化学物质，包括锂钴氧化物LiCoO₂ (LCO)、锂镍锰钴氧化物LiNi_1/3Mn_1/3Co_1/3O₂(NMC)。

提取金属Co

要点2. 简单有效的回收工艺

回收流程很简单：从拆解LIB开始，将正极废弃物插入DES中，然后加热并搅拌，通过溶解实现钴和锂离子的提取。当过滤渗滤液后，还可以单独回收铝箔，粘合剂和导电碳。然后通过沉淀或电沉积回收钴化合物，从而实现对这些有价值材料的重复利用。以LiCoO₂为例，钴和锂的浸出效率均达到≥90％。此外，其他电池组件，例如铝箔和聚偏二氟乙烯（PVDF）粘合剂，也可以单独回收。

DES溶剂可循环使用

在180℃下溶解在DES中NMC粉末的浸出效率

小结

总之，这项研究提供了一种具有战略意义的锂离子电池绿色回收技术，对于锂电池行业的良性发展提供了基本的保障。

电池学术QQ群：116212839

参考文献：

MaiK. Tran, Ganguli Babu, Pulickel M. Ajayan et al. Deep eutectic solvents forcathode recycling of Li-ion batteries. Nature Energy 2019.

DOI:10.1038/s41560-019-0368-4

https://www.nature.com/articles/s41560-019-0368-4