有关废旧锂电池正极材料的回收技术探究

＊王 冰

（江西万载工业园区管理委员会 江西 336100）

1.锂电池的组成与工作原理

(1)锂电池的组成

锂离子电池主要由五大部分构成，分别是正极、负极、隔膜层、电解液和粘连剂，其中正极材料的核心构成是活性物质，主要有LiFePO4、LiNiO2、LiMn2O4、LiCoO2以及三元材料等；负极中含有铜箔，其主要材料有石墨、中间相碳微球、石油焦和碳纤维；隔膜层材料通常是PE（聚乙烯）和PP（聚丙烯）膜；电解液是一种通过溶解或凝胶形式存在的锂盐溶液，包括碳酸二甲酯（DMC）。碳酸乙烯酯（EC）等有机溶剂和LiPF6、LiCIO4、LiBF4等电解质；粘连剂通常使用聚偏氟乙烯（PVDF）、聚四氟乙烯（PTEE）等材料。锂电池各部分组成架构如图1所示。

(2)锂电池的工作原理

锂电池的工作过程就是一种基于锂离子在正负极材料之间的迁移和化学反应来实现电能的存储和释放，详见图2。

图2 锂电池的工作原理

当锂电池处于充电状态时，外部电源施加正向电压，使得正极材料中的锂离子脱嵌（即离开正极），经过电解质传导到负极。同时，负极材料中的锂离子接受电子，通过电解质传导至正极，完成电荷传递过程。这个过程称为充电。

当锂电池处于放电状态时，电池内部化学反应逆转。负极材料脱除电子，并将锂离子释放到电解质中，通过电解质传导至正极。正极接收到锂离子并与电子结合，形成化合物。这个过程会释放出电能，从而驱动外部设备工作。

2.废旧锂电池正极材料的回收价值

正常情况下，退役的动力电池会进行梯度利用，报废的电池则进行拆解回收。锂电池的回收一般包括电池外壳的拆分、正负极片与正负极材料的分离、正负极材料的回收利用。其中正极材料的市场容量最大、附加值最高，也是整个锂电池的主要构成部分，占锂电池成本超过30%，因此属于重点回收部分[1]。结合经济、环境及资源等多方因素来看，废旧锂电池正极材料的回收具有以下重要价值：

（1）节约保护能源资源。锂电池正极材料中常用的锂、钴、镍等金属元素，来自对相关有色金属矿的开发和提炼，它们属于宝贵的自然资源，其资源总量是有限的，人类当前的开发速度远远超过了矿产资源的形成速度，无限制开发终有一天会枯竭。通过回收废旧锂电池正极材料，可以进行新锂电池和相关产品的生产，实现有色金属资源的最大化利用，这就有助于降低对原矿石的依赖，减少对金属矿产资源的开发破坏和节省能源消耗。

（2）创造更高经济价值。废旧锂电池正极材料回收可以促进循环经济的发展。循环经济的核心理念是将废弃物转化为资源，废旧锂电池正极材料中含有锂、钴、镍等多种金属元素，这些金属可以重新提炼和用于制造新的电池材料及其他产品，实现资源的循环利用，可以降低资源开发和新电池生产的成本投入，提供经济效益。因此具有较高的回收再利用价值，其回收毛利率低则15%，高则70%。另外，回收利用废旧锂电池正极材料符合循环经济的原则，可以有效地延长资源的使用寿命，减少废弃物的产生。

（3）减轻生态环境破坏。回收废旧锂电池正极材料可以减少环境污染。废旧电池正极材料中含有多种有害物质，如重金属和有机溶剂。如果这些材料被直接丢弃或不当处理，可能会对土壤和水源造成严重污染。通过回收利用，可以集中处理这些有害物质，减少环境风险和健康风险，有利于维护生态秩序。

3.废旧锂电池正极材料的回收技术

废旧锂电池正极材料的回收技术主要包括干法、湿法和生物法。这些技术各有优缺（见表1所示），可以根据废旧锂电池的具体情况选择合适的回收方法。

表1 三种脱硫工艺的优缺点对比

（1）干法回收技术。废旧锂电池正极材料的干法回收技术是一种通过物理和化学方法将废旧锂电池正极材料中的有用物质分离出来的先进技术。该技术的核心步骤是对废旧锂电池正极材料进行高温炉热解或焙烧处理，将其分解为不同的组分。在高温环境中，原本复杂的正极材料会发生热解反应，使其内部结构发生改变，从而方便后续的分离工作。此过程中，废旧锂电池正极材料中的有机胶凝剂和聚合物基质会被分解，而金属氧化物、锂盐等有价值的成分则保持相对稳定[2]。随后，利用物理手段对产物进行分离。其中，磁选技术可以通过磁性差异将含有磁性材料的部分分离出来。由于废旧锂电池正极材料中常含有铁、钴等磁性金属元素，通过对这些成分进行磁选，可以有效地将其分离出来。也可以使用重力分离技术，该方法通过不同材料的密度差异，使其在重力作用下分层沉淀，从而实现分离。

干法回收技术具有高效、节能的特点，能够有效分离出废旧锂电池正极材料中的有用金属和化合物。相比于传统的湿法回收技术，干法回收技术无需使用大量的溶剂和水资源，在处理过程中减少了环境污染的风险。此外，以高温炉热解或焙烧为核心的干法回收技术还具备较高的自动化程度，提升了回收效率，并且适用于大规模生产。然而，废旧锂电池正极材料的干法回收技术仍然面临一些挑战。一是废旧锂电池正极材料的复杂组分使得分解及后续分离工作变得复杂且耗时；二是废旧锂电池正极材料中的有毒、有害物质也需要进行安全处理，以防止对环境和人体造成潜在危害。因此，在推广应用该技术时，还需要进一步研究和完善相关的废弃物处理和环保政策。

（2）湿法回收技术。废旧锂电池正极材料中含有一定比例的有价值的金属和化合物，如锂、镍、钴等，通过湿法回收技术可以将这些有用物质提取出来，实现资源的再利用。

首先，湿法回收技术的关键是选择合适的溶剂。对于废旧锂电池正极材料中的金属和化合物，不同的溶剂具有不同的溶解能力。因此，在进行回收过程中，需要选取适合溶解目标物质的溶剂，以确保有用物质可以充分溶解。其次，湿法回收技术需要通过调节溶液的pH值来控制有用物质的沉淀。根据不同金属和化合物的溶解性规律，通过改变溶液的酸碱性，可以使目标物质在一定的条件下发生沉淀反应，从而实现分离和提取的目的。同时，湿法回收技术还可以通过调节溶液的温度来影响有用物质的溶解和沉淀行为。通常情况下，提高溶液的温度可以加快目标物质的溶解速度，使其充分溶解。而降低溶液的温度，则有利于目标物质的沉淀和分离。因此，在回收过程中需要根据具体情况进行温度的控制，以达到最佳的回收效果[3]。另外，湿法回收技术在回收过程中还可以添加适当的沉淀剂，以加速有用物质的沉淀速度。通过与溶液中的目标物质发生反应，沉淀剂可以减少沉淀的时间，提高回收速度和效率。但是，在使用沉淀剂时也要注意避免对环境造成污染，并合理选择和控制沉淀剂的用量。

（3）生物法回收技术。生物法回收技术是利用微生物或生物酶将废旧锂电池正极材料中的有用物质转化或分解。这种技术利用生物体的代谢能力和酶催化作用，可以高效地将废旧锂电池正极材料中的有机物和金属离子转化为有用的化合物。使用生物回收技术时需要遵循以下步骤：

首先，需要选择适合的微生物或酶来进行回收。可以通过筛选和培养微生物菌株，或者利用重组DNA技术构建具有特定功能的酶。这些微生物和酶应具有高效的金属离子吸附能力或有机物转化能力[4]。其次，需要将废旧锂电池正极材料与选定的微生物或酶一起培养在适当的环境条件下。这些环境条件包括温度、pH值、营养物质等。通过调控这些条件，可以使微生物或酶发挥其最佳的功能。在培养过程中，微生物或酶会与废旧锂电池正极材料中的有机物和金属离子发生反应。微生物的细胞表面或胞内可以吸附金属离子，通过酸处理或其他方法将金属离子从微生物中提取出来。对于有机物，微生物通过代谢途径将其转化为其他化合物，例如，将有机溶剂转化为无害的有机酸。最后，在完成相关反应后，需要利用分离技术将微生物或酶与废旧锂电池正极材料进行分离，分离后的微生物可以再次使用，进行连续循环的回收过程。

生物法回收技术在废旧锂电池正极材料回收中具有广阔的应用前景。其优势包括高效、环境友好和资源可持续利用。通过利用微生物菌株和酶的活性和选择性，可以实现对废旧锂电池正极材料中有机物和金属离子的高效转化和分解。这种技术的应用不仅可以减少废物产生和处理成本，还可以为锂电池产业提供更多的可再利用原料，推动行业的可持续发展。尽管生物法回收技术具有许多优点，但也面临一些挑战和限制。例如，微生物的培养和维护需要较高的成本和精确控制地环境条件[5]。此外，微生物的生长速度和酶的活性受到许多因素的影响，如温度、pH值、营养物质等。因此，为了实现生物法回收技术的商业化应用，还需要进一步的研究和改进。

4.结语

锂电池作为一种新型能源，是未来社会生产生活的重要支持，具有良好的发展前景。但锂电池同样面临报废后处置不当带来的环境污染、资源浪费等系列问题。回收利用是最佳的解决途径，其中又以正极材料的回收利用为主。现有的回收技术中传统的湿法和干法技术比较成熟，但工艺流程长、浸出液净化耗能高，而生物回收法耗酸低、重金属溶出率高、成本效益好，但菌种的选择与培养，浸出条件的控制等仍具有难度。在实际应用中需要结合相关技术特点、废旧锂电池的特性和正极材料的回收要求等进行综合思考、合理选用，以达到最佳的回收利用效果。