生态环境部华南所王树宾Waste Manage：低共熔溶剂回收报废锂离子电池的微波强化机制

Energist 能源学人

生态环境部华南环境科学研究所（华南所）王树宾副研究员、哈尔滨工程大学朱凯副教授为通讯作者，在资源与环境期刊Waste Management发表“Microwave-ultra-fast recovery of valuable metals from spent lithium-ion batteries by deep eutectic solvents”（DOI：10.1016/j.wasman.2022.11.035）。

近年来，锂离子电池作为关键能源部件——新能源电池，已在低碳产业领域得到广泛应用。然而受其使用寿命（5-8年）所限，在“十四五”时期全国将有百万吨报废锂离子电池需要利用处置，如何实现报废锂离子电池的绿色高效回收已逐渐成为新能源电池行业亟待解决的重大难题。低共熔溶剂法作为一种报废动力电池的新型资源化技术，已受到国内外学者的广泛关注，但该技术仍存在反应时间长、温度高、能耗高等问题。本研究基于微波强化机理提出了一种低共熔溶剂体系超快速提取锂和钴的回收策略。主要成果如下：

图 1 微波对低共熔溶剂有效组元偶极矩的作用规律

通过第一性原理计算了微波对低共熔溶剂和正极材料的作用规律，结果发现高频电场可将钴酸锂表面的尿素、乳酸离子及乙二醇的偶极矩提高两个数量级,极大增加低共熔溶剂有效组元的反应活性。此外，微波还可以加速分子振动和分子碰撞，快速提高反应温度，进而加速反应速率。

图 2 微波对低共熔溶剂体系的强化作用规律

在低共熔溶剂体系中，微波对氯化胆碱：乙二醇二元体系的金属提取过程影响较小；微波对氯化胆碱：乙二醇：尿素/乳酸三元体系的金属提取过程有大幅提升，在4 min和160 W条件下，锂和钴的浸出效率超过了90%。

图 3 三元低共熔溶剂体系的浸出机理

在尿素还原性和配位性的协同作用下，浸出渣的晶体结构变得更加无序，呈现出了点蚀作用；在乳酸的中和作用下，浸出渣的晶体结构变化规律不明显，呈现出了层蚀作用。微波进一步加剧了点蚀和层蚀过程。动力学分析结果显示：三元低共熔溶剂体系的浸出过程主要受表面化学反应的核收缩模型控制。

主要结论：本研究基于微波强化机理提出了一种低共熔溶剂体系超快速提取锂和钴的回收策略，以报废钴酸锂材料和氯化胆碱：乙二醇：尿素/乳酸三元低共熔溶剂体系为研究对象，采用微波强化提取技术，可实现锂和钴的超快速提取（反应条件为4 min、160 W）。从微波作用规律、浸出动力学和微观浸出行为等方面，系统阐述了低共熔溶剂体系的微波强化机制，并分析了低共熔溶剂配位性、还原性和酸性等因素对锂和钴的浸出作用机制，为低共熔溶剂法回收技术瓶颈的突破奠定了科学基础。

本研究获广东省基础与应用基础研究基金（2020A1515110850、2022A1515010970）、广州市基础与应用基础研究项目（202201010068）和中央级公益性科研院所基本科研业务专项（PM-zx703-202204-068）资助。

王树宾：生态环境部华南环境科学研究所副研究员，主要从事新型固废（退役动力电池、光伏组件、风电机组叶片）绿色低碳资源化、特征污染物迁移转化等领域研究，开展应用基础、工程示范和管理支撑工作，主持和参与国家级、省部级项目10余项，在资源与环境领域国际知名期刊Resources, Conservation & Recycling，Green Chemistry，Waste Management等发表论文20余篇，授权相关发明专利8项，其中日本国际专利1项。

朱凯：哈尔滨工程大学副教授，主要从事化学电源及其电极材料的研究工作。主持和参与国家自然科学基金3项。近年来在ACS Nano，Nano-Micro Letters，Journal of Materials Chemistry A，Chemical Engineering Journal，ACS Applied Materials & Interface，ChemSusChem等期刊上发表相关SCI论文80余篇。

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2022-12-08