研究背景

電動(dòng)汽車(chē)作為一種低碳技術(shù)，正在全球范圍內(nèi)迅速發(fā)展，以滿(mǎn)足全球?qū)Φ吞忌鐣?huì)的需求。在未來(lái)幾十年，電動(dòng)汽車(chē)使用的鋰離子電池（LIBs）將逐步淘汰。從廢舊鋰電池中回收高價(jià)值金屬，如鋰、鈷和鎳，可以使有價(jià)值的材料重新用于電池生產(chǎn)，并降低其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

研究人員在回收廢舊電池中的貴重金屬和發(fā)展電池閉環(huán)回收系統(tǒng)方面作出了廣泛的努力。從降解的正極材料中回收金屬的回收工藝包括火法冶金和濕法冶金?；鸱ㄒ苯鸹厥展に囆枰邷兀?1000℃）將正極材料轉(zhuǎn)化為合金，因其生產(chǎn)率高而被企業(yè)廣泛采用。然而，高能源消耗和有毒氣體排放引起了人們對(duì)經(jīng)濟(jì)收益和環(huán)境保護(hù)的擔(dān)憂(yōu)。另一方面，濕法冶金回收工藝采用酸性試劑（包括硝酸、鹽酸、硫酸）從正極材料中浸出金屬，適用于所有電池化學(xué)成分，能耗低，金屬浸出效率高，具有工業(yè)潛力。令人遺憾的是，強(qiáng)酸試劑通常會(huì)釋放有害氣體，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重危害。因此，高效和生態(tài)友好的廢LIBs回收過(guò)程的創(chuàng)新至關(guān)重要。為了減少回收過(guò)程中的污染，人們研究了深共晶溶劑（DESs）作為替代浸出劑。在室溫下呈液態(tài)的有機(jī)鹽被稱(chēng)為室溫離子液體（ILs）。它們具有可忽略不計(jì)的蒸汽壓，高熱穩(wěn)定性和廣泛的合成柔韌性。特別是，它提供了一個(gè)完全由離子組成的反應(yīng)環(huán)境，并對(duì)無(wú)機(jī)材料表現(xiàn)出優(yōu)異的溶解性能。

文章亮點(diǎn)

在本研究中，作者展示了一個(gè)綠色和可回收的過(guò)程，使用離子液體，1-(2,3-二羥丙基)-3-甲基咪唑氯(咪唑乙二醇)。這種IL誘導(dǎo)了LIB正極上過(guò)渡金屬離子的還原和溶解。對(duì)于鋰鈷氧化物正極，我們證明了鋰的浸出效率為100%，鈷的浸出效率為99.62%。X射線(xiàn)衍射和熱重質(zhì)譜表明，咪唑乙二醇優(yōu)先溶解鋰，并誘導(dǎo)晶格氧化陰離子(O2-)將不溶性的高價(jià)Co(III)還原為可溶的Co(II)配合物。該工藝避免了有害氣體的排放，并且易于回收，具有經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的雙重優(yōu)勢(shì)。該工藝提供了環(huán)境友好和可持續(xù)的鋰離子正極回收，并為工業(yè)規(guī)模的回收提供了合適的途徑。

圖文解讀

圖1.咪唑乙二醇浸出法回收鋰電池。

（a）咪唑乙二醇浸出法回收鋰電池。（b）咪唑二醇基廢舊電池綠色回收工藝示意圖。將廢電池拆解，正極分散在咪唑乙二醇中。LCO可以溶解在咪唑乙二醇中，而其他組分（碳、PVDF和鋁箔）通過(guò)過(guò)濾分離。采用共沉淀法回收了咪唑乙二醇中的金屬離子，并回收了咪唑乙二醇。

圖2.咪唑乙二醇浸出金屬。

（a）純咪唑乙二醇與LCO混合和咪唑乙二醇的紅外光譜。（b）去鋰化前后咪唑乙二醇與LCO的結(jié)合能。（c）去鋰化前后咪唑-乙二醇-LCO體系的吉布斯自由能。（d）LCO在不同溫度下溶解后的咪唑乙二醇變色照片。120℃下不同浸出時(shí)間下LCO中（e）Li、Co和NCM622中（f）Li、Co、Ni、Mn的浸出效率。

圖3.浸出過(guò)程機(jī)理分析。

（a）100℃空氣氣氛下LCO正極浸出過(guò)程的XRD譜圖（*儀器背景峰）。（b）(003)峰演化圖和（c）(101)峰演化圖。（d）原始對(duì)照LCO粉末，（e）浸出后LCO的STEM-HAADF圖像。（f）LCO的結(jié)構(gòu)演變。（g）He氣氛下120℃下咪唑乙二醇-LCO浸出過(guò)程的TGA-MS結(jié)果等高線(xiàn)圖。（h）不同質(zhì)荷比的時(shí)間-濃度曲線(xiàn)圖。

圖4.過(guò)濾后咪唑乙二醇滲濾液的結(jié)構(gòu)分析。

（a）純咪唑乙二醇和咪唑乙二醇浸出液的1H NMR譜和（b）13C NMR譜。（c）純咪唑乙二醇和咪唑乙二醇滲濾液的紫外光譜。（d）純咪唑乙二醇和咪唑乙二醇滲濾液的拉曼光譜。（e）120℃下Li, Co的化學(xué)反應(yīng)控制模型圖。（f）120℃下Li, Co殘留層擴(kuò)散控制模型圖。

圖5.金屬離子與咪唑乙二醇的回收與表征。

（a）從廢LIBs中分離和浸出金屬。（b）Co2O4·2H2O和煅燒后Co3O4、（c）Ni1/3Co1/3Mn1/3C2O4·2H2O和(Ni1/3Co1/3Mn1/3)3O4、（d）Li2CO3的XRD譜圖。（e）鋰和鈷在120°C下20小時(shí)的初始和1,3,5次循環(huán)后的浸出效率。（f）回收的咪唑乙二醇浸出后的1H NMR譜圖顯示化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)不變。（g）浸出性能與以往文獻(xiàn)比較的雷達(dá)圖。曲線(xiàn)面積越大，評(píng)價(jià)越高。

總結(jié)與展望

作者設(shè)計(jì)并合成了一種離子浸出劑咪唑乙二醇，并演示了一種高效的廢鋰電池正極回收工藝。該機(jī)理實(shí)驗(yàn)表明，這種咪唑乙二醇誘導(dǎo)氧陰離子還原高價(jià)過(guò)渡金屬離子，使還原劑的使用變得不必要。這種回收工藝對(duì)鋰、鈷、鎳和錳的浸出效率很高。在所有情況下，這種浸出都沒(méi)有產(chǎn)生任何有害氣體排放。此外，咪唑乙二醇很容易回收和再利用，為L(zhǎng)IBs提供了一個(gè)可持續(xù)和環(huán)保的回收過(guò)程。

第一作者：Yin Hu

通訊作者：嚴(yán)鋒

文章鏈接：https://doi.org/10.1039/D4EE00331D