清华大学环境学院李金惠团队研发低熵增技术助力锂电池高效回收

　　近日，清华大学环境学院李金惠教授团队提出一种基于原电池效应的定向浸出策略，旨在破解当前废锂离子电池回收领域的高熵增技术瓶颈与能效难题。该研究创新性地利用废正极材料与铝箔载流体的自组装特性，构建出具有3.84V电势差的免预处理回收体系。通过精准调控电极界面处的电子传输与电荷聚集机制，成功实现了难溶金属组分的原位价态重构与晶格活化，同步突破了锂、镍、钴、锰等关键金属回收率低与回收速率慢的限制。
 

　　锂离子电池作为清洁能源转型的核心载体，已经消耗全球70%的钴资源，而每年产生的百万吨级废锂电池更带来严峻的环境挑战。传统的废锂电池冶金回收技术可以在一定程度上实现资源的循环利用，但仍面临效率低、能耗高、环境污染等问题。其核心原因在于回收过程中的高熵增现象：机械粉碎破坏电池原有结构秩序，提升系统熵值；化学浸出消耗大量酸碱试剂，造成不可逆能量损失；多步分离导致金属交叉污染，降低产物纯度。针对这些难题，李金惠团队提出一种基于“最小熵增原理”的创新性湿法冶金回收策略，为废锂电池的高效、可持续回收提供了全新思路。
 

图1.废锂电池原位自组装构建的原电池浸出体系
 

　　在这一策略中，研究团队发现，废锂电池正极材料(如LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2)与电池内部的铝箔载流体之间可以形成微原电池系统。通过这种设计，铝箔作为零价金属还原剂，能够定向转移电子，仅用于废正极材料的还原分解，而不会产生有害的氢气或释放有机氟化物污染。这种方法可以让废锂电池“自我拆解”，能够在不破坏电池原有结构的情况下，显著降低回收过程的熵增。
 

图2.废锂电池原电池浸出体系回收效果
 

　　实验结果表明，与传统方法相比，该技术使锂的回收率超过99%，过渡金属的回收率超过90%，同时将电子还原效率提高了约25倍，溶解速率提高了约30倍。热力学理论计算表明，这种原电池体系高达3.84V(约3节干电池)的电势差是迫使铝箔溶解释放的电子定向迁移，仅用于高价金属(Ni3+/Co3+/Mn4+)还原，而不发生析氢副反应的关键原因。
 

图3.原电池电化学浸出过程正极颗粒的反常溶解现象
 

　　原电池体系产生的电子迁移与电荷积聚效应会诱导废锂电池颗粒内部发生优先溶解现象，逐步形成空穴形貌。值得注意的是，废锂电池中的含氟有机粘结剂、导电剂是电子转移通道，不会受到电子和氢离子攻击而溶解，最终形成如图3f的有机质框架，固定于浸出尾渣。这在一定程度上降低了次生废水的处理难度。
 

　　该研究被审稿人藤田丰久(Toyohisa Fujita)评价为“城市矿山开发的范式转变”，为动力电池回收提供了兼具高效、低碳、经济的解决方案。未来，通过模拟电池原生结构的功能复用，或可解决其他电子废弃物(如电路板、显示器)回收中的熵增难题，将有助于循环经济从“暴力拆解”转向“智慧解构”新纪元。
 

　　相关研究成果以“通过低熵增策略实现废锂电池电流浸出回收”(Galvanic leaching recycling of spent lithiumion batteries via low entropy-increasing strategy)为题，于3月11日在线发表于《自然·通讯》(Nature Communications)。
 

　　清华大学环境学院余嘉栋博士后为论文第一作者，李金惠为论文通讯作者，环境学院2023届本科毕业生刘晏均为论文共同作者。研究得到国家自然科学基金委员会等的支持。