清華大學環(huán)境學院李金惠團隊研發(fā)低熵增技術助力鋰電池高效回收

2025-03-26 10:21:42清華大學閱讀量：7935      我要評論

　　近日，清華大學環(huán)境學院李金惠教授團隊提出一種基于原電池效應的定向浸出策略，旨在破解當前廢鋰離子電池回收領域的高熵增技術瓶頸與能效難題。該研究創(chuàng)新性地利用廢正極材料與鋁箔載流體的自組裝特性，構建出具有3.84V電勢差的免預處理回收體系。通過精準調控電極界面處的電子傳輸與電荷聚集機制，成功實現了難溶金屬組分的原位價態(tài)重構與晶格活化，同步突破了鋰、鎳、鈷、錳等關鍵金屬回收率低與回收速率慢的限制。

　　鋰離子電池作為清潔能源轉型的核心載體，已經消耗全球70%的鈷資源，而每年產生的百萬噸級廢鋰電池更帶來嚴峻的環(huán)境挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的廢鋰電池冶金回收技術可以在一定程度上實現資源的循環(huán)利用，但仍面臨效率低、能耗高、環(huán)境污染等問題。其核心原因在于回收過程中的高熵增現象：機械粉碎破壞電池原有結構秩序，提升系統(tǒng)熵值；化學浸出消耗大量酸堿試劑，造成不可逆能量損失；多步分離導致金屬交叉污染，降低產物純度。針對這些難題，李金惠團隊提出一種基于“最小熵增原理”的創(chuàng)新性濕法冶金回收策略，為廢鋰電池的高效、可持續(xù)回收提供了全新思路。

圖1.廢鋰電池原位自組裝構建的原電池浸出體系

　　在這一策略中，研究團隊發(fā)現，廢鋰電池正極材料(如LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2)與電池內部的鋁箔載流體之間可以形成微原電池系統(tǒng)。通過這種設計，鋁箔作為零價金屬還原劑，能夠定向轉移電子，僅用于廢正極材料的還原分解，而不會產生有害的氫氣或釋放有機氟化物污染。這種方法可以讓廢鋰電池“自我拆解”，能夠在不破壞電池原有結構的情況下，顯著降低回收過程的熵增。

圖2.廢鋰電池原電池浸出體系回收效果

　　實驗結果表明，與傳統(tǒng)方法相比，該技術使鋰的回收率超過99%，過渡金屬的回收率超過90%，同時將電子還原效率提高了約25倍，溶解速率提高了約30倍。熱力學理論計算表明，這種原電池體系高達3.84V(約3節(jié)干電池)的電勢差是迫使鋁箔溶解釋放的電子定向遷移，僅用于高價金屬(Ni3+/Co3+/Mn4+)還原，而不發(fā)生析氫副反應的關鍵原因。

圖3.原電池電化學浸出過程正極顆粒的反常溶解現象

　　原電池體系產生的電子遷移與電荷積聚效應會誘導廢鋰電池顆粒內部發(fā)生優(yōu)先溶解現象，逐步形成空穴形貌。值得注意的是，廢鋰電池中的含氟有機粘結劑、導電劑是電子轉移通道，不會受到電子和氫離子攻擊而溶解，最終形成如圖3f的有機質框架，固定于浸出尾渣。這在一定程度上降低了次生廢水的處理難度。

　　該研究被審稿人藤田豐久(Toyohisa Fujita)評價為“城市礦山開發(fā)的范式轉變”，為動力電池回收提供了兼具高效、低碳、經濟的解決方案。未來，通過模擬電池原生結構的功能復用，或可解決其他電子廢棄物(如電路板、顯示器)回收中的熵增難題，將有助于循環(huán)經濟從“暴力拆解”轉向“智慧解構”新紀元。

　　相關研究成果以“通過低熵增策略實現廢鋰電池電流浸出回收”(Galvanic leaching recycling of spent lithiumion batteries via low entropy-increasing strategy)為題，于3月11日在線發(fā)表于《自然·通訊》(Nature Communications)。

　　清華大學環(huán)境學院余嘉棟博士后為論文第一作者，李金惠為論文通訊作者，環(huán)境學院2023屆本科畢業(yè)生劉晏均為論文共同作者。研究得到國家自然科學基金委員會等的支持。

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