第一作者：Mai K. Tran
通訊作者：Ganguli Babu, Pulickel M. Ajayan
通訊單位：萊斯大學
研究亮點：
1. 發展了一種全新的鋰離子電池綠色回收溶劑。
2. 回收工藝集綠色環保、高效、低成本等優勢于一身。
形勢嚴峻
小型電子產品中的鋰離子電池壽命一般為3年左右，電動汽車中鋰離子電池的手壽命為5-10年。隨著人類社會對可充電鋰離子電池的不斷需求，鋰離子電池將會產生大量廢棄物。據估計，2020年中國將產生100萬噸左右的鋰離子電池廢棄物。
在這些廢棄物中，有很多材料是可以，并且值得回收使用的。譬如正極材料中高達15%含量的金屬Co。Co是一種戰略性金屬材料，價格相對較貴，更重要的是，Co礦大量存在于非和平地區，不易獲得。除此之外，大量的Co積累也會引發環境問題和健康問題。
由此可見，從鋰離子電池回收特定材料，可以最大限度地減少廢棄物的環境影響，并極具經濟價值。然而，目前并沒有一種合適的回收策略。
目前回收方法的局限性
廢舊鋰離子電池的大部分回收價值都在正極材料中，目前提取活性氧化鋰中所含金屬的常用方法主要包括以下四種：1）火法冶金；2）濕法冶金；3）生物冶金；4）機械方法；或者四種方法的交叉組合。
其中，火法冶金在工業上頗為常見。但是它需要在極端溫度（1400°C或更高）條件下進行，高能耗導致成本較高，而且還會釋放有害煙霧氣體，需要采取嚴格的安全和環保預防措施。此外，僅使用這種方法不能完全回收所有金屬。
濕法冶金也是較常見的選擇，其優點在于具有較高的金屬浸出率，回收產品純度較高。可惜的是，這種技術通常也會涉及腐蝕性試劑，如鹽酸，硝酸和硫酸，這對工人和環境都造成一定危險。
文獻中報道的一些“綠色溶劑”策略，如利用有機酸等非危險材料解決環境安全問題顯示出誘人前景，但還不成熟。例如，蘋果酸可以浸出二價金屬離子，但還需要額外的還原劑來加速鋰離子電池中高價離子的溶解過程。草酸可作為浸出劑和還原劑，但由于其不能完全溶解所有正極活性材料，還需要高溫熱解過程加以輔助。
綠色回收方法的新突破
2019年4月2日，美國萊斯大學Pulickel M. Ajayan和Ganguli Babu團隊報道了一種全新的鋰離子電池廢棄物綠色回收之路，使用深共晶溶劑（DES）從LIB廢物中回收有價值產品。
綠色回收工藝示意圖
要點1. 無敵的DES溶劑
DES是一類化合物，通常具有超高的溶解金屬氧化物的能力。這些溶劑是氫鍵供體和受體的低共熔混合物，成本較低，易于制備并由相對無毒和可生物降解的化合物制成，譬如氯化膽堿和乙二醇的混合物。這種特殊的DES是一種“綠色溶劑”，它可以作為有效的浸出劑和還原劑，不需要還原劑和/或昂貴的溶劑萃取劑，也不需要復雜工藝就能實現金屬高純度提取。研究表明，這種DES能夠處理多種鋰離子電池廢棄物中的多種化學物質，包括鋰鈷氧化物LiCoO2 (LCO)、鋰鎳錳鈷氧化物LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2(NMC)。
提取金屬Co
要點2. 簡單有效的回收工藝
回收流程很簡單：從拆解LIB開始，將正極廢棄物插入DES中，然后加熱并攪拌，通過溶解實現鈷和鋰離子的提取。當過濾滲濾液后，還可以單獨回收鋁箔，粘合劑和導電碳。然后通過沉淀或電沉積回收鈷化合物，從而實現對這些有價值材料的重復利用。以LiCoO2為例，鈷和鋰的浸出效率均達到≥90％。此外，其他電池組件，例如鋁箔和聚偏二氟乙烯（PVDF）粘合劑，也可以單獨回收。
DES溶劑可循環使用
在180℃下溶解在DES中NMC粉末的浸出效率
小結
總之，這項研究提供了一種具有戰略意義的鋰離子電池綠色回收技術，對于鋰電池行業的良性發展提供了基本的保障。
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參考文獻：
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
