1.【導讀】

電池金屬對商業化二次鋰離子電池中電極材料來說至關重要，鋰電料牛特別是回收鋰、鈷、新方鎳、法材錳等。鋰電料牛從自然儲備中獲取電池金屬長期且不可持續，回收不斷增長的新方資源需求和可預見的儲量短缺激勵人們從其他資源（如廢舊鋰電池）中回收電池金屬。廢舊鋰電池是法材一種很有前途的電池金屬供應替代資源，預計到2030年，鋰電料牛全球廢舊鋰電池金屬市場將達到約228億美元。回收目前，新方廢舊鋰電池中回收電池金屬的法材工藝方法主要包括高溫冶金法、濕法冶金法、鋰電料牛生物冶金法和電化學萃取法等。回收但這些方法存在不同程度的新方環境污染和經濟成本問題，制約了電池金屬回收的進一步發展。因此，需要發展一種快速有效的回收方法，能夠在保持環境友好的同時，實現不同電池金屬的高可提取性和回收率。

2.【成果掠影】

基于以上研究背景，美國萊斯大學Boris I. Yakobson和James M. Tour教授（共同通訊作者）等人通過脈沖直流閃蒸焦耳加熱（FJH）的方法對酸浸前的正負極混合物進行活化，極大提高了離子的浸出動力學，并且實現了不同化學性質電池金屬的高回收率。相關研究成果以“Battery metal recycling by flash Joule heating”為題發表在最新一期Science Advances期刊上。

3.【核心創新點】

1. FJH超快高溫活化處理后，離子浸出動力學提高約1000倍，且適用于不同電池金屬的高回收率。
2. 相比現有其他回收工藝，FJH活化策略具有顯著的環保和經濟成本優勢。

4.【數據概覽】

圖1. 黑色物質中酸萃取電池金屬。? 2023 AAAS

（A）各種黑色物質中HCl可萃取電池金屬含量（1 M HCl, 50℃）和電池金屬總量（王水，50℃）以及1 M HCl對黑色物質電池金屬的回收率。

（B）BM-1中pH對鋰和過渡金屬浸出率（HCl (aq), 50°C）的影響。

（C）BM-1和原始LiCoO₂的高分辨率Co 2p光譜。

（D）金屬及其相應金屬化合物在1 M HCl中溶解的吉布斯自由能。

（E）BM-1的高分辨率C 1s光譜。

（F）BM-1的掃描電鏡（SEM）圖像。

（G）CO和不同金屬氧化物的Ellingham氧勢圖。

（H）不同電池金屬與碳的蒸汽壓力-溫度關系。

圖2. FJH活化提高不同黑色物質中電池金屬的回收率。? 2023 AAAS

（A）FJH活化過程中相關的時間和溫度圖表。

（B）黑色物質的FJH活化示意圖，電阻性正極顆粒呈現局部熱點。

（C）有無FJH活化的酸浸結果。

（D）FJH活化條件為80 V, 0.11 s時的電流-時間曲線。

（E）FJH活化條件為80 V, 0.11 s時的實時溫度測量。

（F）FJH活化的BM-1中，HCl萃取（1 M, 50°C）的電池金屬含量、回收率(Y/Y₀)的增加與FJH電壓的關系。

（G）FJH活化的BM-1中，HCl萃取（1 M, 50°C）的電池金屬含量、回收率(Y/Y₀)的增加與FJH活化時間的關系。

（H）FJH活化后的黑色物質中HCl（1 M, 50°C）可提取的電池金屬含量和各種黑色物質中電池金屬的總定量（王水，50°C），以及不同FJH活化的黑色物質中1 M HCl對電池金屬的回收率（Y）。

（I）不同浸出劑對鋰和過渡金屬回收率的比較。

圖3. FJH活化提高電池金屬可萃取性的機理。? 2023 AAAS

（A）1M HCl溶液中（50°C）BM-1和FJH活化后BM-1的動態浸出回收率比較。

（B）動態鋰浸出速率與浸出液中Li⁺濃度的關系。

（C）動態過渡金屬浸出速率與浸出液中總過渡金屬離子濃度的關系。

（D）FJH活化BM-1（1 M HCl, 50°C）中Co²⁺、Co³⁺濃度與閃蒸電壓的關系。

（E）標準溫度壓力下，原始和FJH活化后BM-1的氮氣吸脫附曲線及比表面積計算。

（F）FJH活化后BM-1的XRD譜圖。

（G）FJH活化產生的氣態物質。

圖4. FJH活化的黑色物質的微觀表征。? 2023 AAAS

（A）FJH活化的BM-1 HR-TEM圖像。

（B）FJH活化的BM-1 TEM圖像。

（C）模擬2500 K下退火9 ns時，Li⁺滲透的部分石墨化非晶態碳結構，其中綠線為計算得到的Li⁺軌跡。

（D）FJH活化的BM-1二次顆粒微觀形貌及相應的元素分布。

（E）FJH活化的BM-1初級顆粒納米形貌及相應的元素分布。

圖5. FJH活化回收工藝的經濟性與環保性分析。? 2023 AAAS

不同廢舊鋰離子電池回收路線工藝流程圖的對比：

（A）濕法冶金法。

（B）高溫冶金法。

（C）FJH活化回收法。

（D）不同工藝處理1 kg廢電池，12 M濃鹽酸的用量對比。

（E-H）不同工藝處理1 kg廢電池再回收生產~0.35 kg正極材料，用水量、能耗、溫室氣體排放和成本的對比分析。

5.【成果啟示】

近年來，超快、可控和節能的電加熱被用于進行材料合成和加工方面的探索。像碳熱沖擊以及該工作中使用的閃蒸焦耳加熱（FJH）工藝，已被用于合成各種具有有趣結構和成分的納米材料，如高熵合金和渦輪狀石墨烯。以本工作為例，FJH超快的升溫和淬火過程可以瞬間提溫至2100 K, 促進了電極材料中難溶物的熱解和難溶金屬化合物的熱還原，也緩解了鋰等揮發性金屬元素的損失，極大提高了金屬離子后續的浸出動力學，保證電池金屬的回收率。并且，相比鋰電池回收的現有工藝展現出顯著的環保和經濟優勢。該工作不僅為鋰電回收提供了新方法，也拓展了超快加熱工藝的應用，對于可編程超快加熱/降溫工藝的發展具有重要的推動意義，也為其在其他方面的應用提供了有益借鑒。

原文詳情： Weiyin Chen et al. ,Battery metal recycling by flash Joule heating. Sci. Adv.9, eadh5131 (2023). DOI:10.1126/sciadv.adh5131.

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh5131。