近日，上海大学材料科学与工程学院高彦峰教授团队在废旧三元锂离子电池正极材料绿色回收领域取得重要突破。该团队此前在《中国科学：技术科学》上发表了题为“废锂电池中有价金属的绿色回收技术研究进展”的综述论文，系统梳理了该领域的研究进展。在此基础上，研究团队提出了热力学指导的“相预转化”策略，利用废旧电池中的石墨作为原位还原剂，将稳定的三元正极（NCM）精准转化为易浸出的低价氧化物和Li₂CO₃，破解了深共晶溶剂（DES）直接浸出需高温、高液固比的技术瓶颈，在温和条件下实现了锂、镍、钴、锰的高效回收，其浸出效率分别达96.5%、96.6%、98.3%、99.9%。相关研究成果以“Phase Preconversion Enables Mild Deep Eutectic Solvent Leaching for Efficient Recycling of Spent LiNi_xCo_yMn_1−x−yO₂ Cathodes”为题发表于材料领域权威期刊《Review of Materials Research》，技术经济分析显示净利润9.32 USD·kg⁻¹、温室气体排放仅844 g·kg⁻¹。上海大学为第一单位，博士研究生许金妹为论文第一作者，高彦峰教授为通讯作者，陈宏飞副教授参与指导工作。

图1. 论文首页

随着电动汽车和储能市场的爆发式增长，废旧锂离子电池的回收迫在眉睫。三元正极材料（NCM）因高能量密度成为主流选择，但其稳定的层状结构导致有价金属难以浸出。深共晶溶剂（DES）作为一种绿色溶剂，具有低毒、可生物降解、金属配位能力强等优点，被视为替代传统无机酸的理想选择。然而，直接将DES用于原始NCM浸出时，由于金属-氧键牢固，往往需要高于90 °C的温度和大于20 g·g⁻¹的液固比（L/S），严重制约了其工业应用。如何通过前处理手段主动降低NCM的结构稳定性，使DES能够在温和条件下高效浸出，是该领域亟待解决的关键科学问题。

图2. 不同碳热还原温度下Ni/Co/Mn−Li−C−O体系的反应产物分布计算图

针对这一难题，研究团队没有选择设计更“激进”的溶剂，而是从源头出发，提出“相预转化”策略。通过热力学计算（HSC Chemistry 9.0）系统分析了Ni−Li−C−O、Co−Li−C−O和Mn−Li−C−O体系的优势区图，精准确定了狭窄的还原窗口。研究表明，在650 °C下利用7.5 wt%废旧阳极石墨作为还原剂，可将NCM层状结构彻底分解为Li₂CO₃、Li₂O、NiO、CoO和非晶态MnO，同时将金属相生成量控制在极低水平（Ni 6.65%、Co 7.17%），从而避免了后续酸浸过程中危险H₂的产生。

图3. 废旧NCM碳热还原前后Ni/Co/Mn 2p XPS谱图与价态演变

预转化后的产物结构被彻底破坏，使得后续DES浸出条件大幅温和化。研究团队采用两步法实现金属的选择性回收：首先在5 °C下水浸提锂，锂浸出效率达96.5%，最终以Li₂CO₃形式回收，回收率为88.2%，纯度约97.5%；随后采用DES体系浸出过渡金属，在仅50 °C、L/S = 8 g·g⁻¹条件下实现了高效浸出。DES浸出过程中，柠檬酸作为质子供体破坏金属-氧晶格，Cl⁻与释放的金属离子形成稳定的四面体配合物[MCl₄]²⁻，随后可通过草酸沉淀实现金属回收和DES再生。该研究还实现了“以废治废”，利用废旧阳极石墨作为还原剂，避免了商业还原剂的使用，降低了试剂成本，体现了资源循环利用的理念；此外，建立了完整的锂质量平衡，明确了各工序的锂损失分布，为工艺优化提供了定量依据；技术经济分析和生命周期评估进一步证明，该工艺能耗仅20.8  MJ·kg⁻¹，环境效益显著。

图4. 本研究与其他回收方法的经济、能耗与环境综合比较

该工作是上海大学高彦峰教授团队在废旧锂电池绿色回收领域取得的系列研究成果之一。未来，团队将进一步优化DES配方和再生工艺，降低试剂成本，推动该技术向工业化应用迈进，为废旧锂电池的绿色低碳回收和战略金属资源循环利用提供理论支撑与技术储备。