由于鋰離子電池具有能量密度高、壽命長、體積小、重量輕、自放電率低、無記憶效應(yīng)、應(yīng)用溫度范圍廣和環(huán)境友好等特點，從20世紀90年代開始，鋰離子電池就被廣泛應(yīng)用于便攜儀器、混合動力汽車和電動汽車等儲能領(lǐng)域。

然而，由于消費電子產(chǎn)品更新?lián)Q代加快以及鋰離子電池在電動汽車領(lǐng)域的持續(xù)推廣，近年來已經(jīng)產(chǎn)生了大量的廢鋰離子電池。

據(jù)統(tǒng)計，數(shù)碼產(chǎn)品中鋰離子電池的壽命僅1～3年，動力汽車中鋰離子電池的壽命為5～8年。據(jù)此預(yù)測，到2020年我國將有25億只、約5.0×105t的廢舊鋰離子電池產(chǎn)生。

鋰離子電池中使用的一些材料不僅含有Cu、Co和Ni等重金屬，還含有電解液和隔膜等有機化學品。據(jù)報道，4000 t的廢舊鋰離子電池中含有1100 t的重金屬以及超過200 t的有毒電解液，這些有毒物質(zhì)對生態(tài)系統(tǒng)和人類健康構(gòu)成了嚴重威脅。

若采用填埋的方式處理廢鋰離子電池，可能會導致有毒重金屬滲入地下水體，從而造成嚴重的環(huán)境污染。同樣，如果將廢鋰離子電池當作一般固體廢棄物燒毀，那么將會產(chǎn)生大量的有毒氣體（如HF氣體）污染大氣。因此，無害化處理廢鋰離子電池十分必要。

另外，廢鋰離子電池具有很高的經(jīng)濟價值，其中的某些金屬含量甚至高于天然礦石中的金屬品位。

鋰離子電池的組成

鋰離子電池的正極材料主要有LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiFePO4和LiNixCoyMn1?x?yO2等含鋰的過渡金屬氧化物。表1列出了鋰離子電池中含有的有害物質(zhì)及其危害。

表1.鋰離子電池的環(huán)境危害

廢鋰離子電池的回收現(xiàn)狀

如圖所示，依據(jù)廢鋰離子電池回收過程中的處理步驟，可將整個回收過程分為3個過程：

圖1.廢鋰離子電池回收處理方法和流程總體示意圖

（一）預(yù)處理過程：為防止在處理過程中廢鋰離子電池短路或自燃，廢舊鋰離子電池需要進行放電處理，通常采用鹽水浸泡將廢電池放電。

在經(jīng)過人工拆解、分離或者機械處理后，有害物質(zhì)失活。通常采用溶劑溶解法、NaOH堿溶法、超聲輔助分離、熱處理法以及機械分選法等方法將正極活性物質(zhì)從集流體鋁箔上分離。

盡管目前已經(jīng)開發(fā)了很多廢鋰離子電池預(yù)處理的方法，但廢鋰離子電池的預(yù)處理過程仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。表2總結(jié)了目前預(yù)處理技術(shù)存在的優(yōu)缺點。

表2.各種預(yù)處理技術(shù)的優(yōu)缺點

（二）金屬提取過程：金屬提取過程是整個回收工藝的核心，其目的是將廢鋰離子電池正極材料中的金屬轉(zhuǎn)化為合金形式或者溶液狀態(tài)，以利于后續(xù)金屬組分的分離回收，主要包括以下3種方法：

火法冶金：通過高溫還原熔煉的方法將有價金屬還原并以合金的形式回收。工藝簡單，但回收過程中能耗高、二次污染嚴重，另外回收過程中鋰的損失也是火法冶金工藝需要解決的一個重要問題。

濕法冶金：采用化學浸出的方法，其主要目的是實現(xiàn)固態(tài)正極活性物質(zhì)中的金屬組分轉(zhuǎn)移至溶液中，以便后續(xù)的分離和回收，浸出過程中主要采用的浸出劑有無機酸、有機酸以及氨-銨鹽體系。

生物冶金：由于生物浸出工藝具有回收效率高、處理成本低、所需設(shè)備少等優(yōu)勢，被認為是一種最有望取代傳統(tǒng)化學浸出的技術(shù)。其原理是通過微生物代謝產(chǎn)物的無機酸或有機酸實現(xiàn)廢鋰離子電池中金屬組分的溶解。與火法冶金和濕法冶金相比，生物冶金的缺點是其動力學過程緩慢和處理效率低。

表3總結(jié)對比了前文所述的金屬提取過程采用的主要方法，包括各種方法的優(yōu)缺點和環(huán)境影響。

表3.廢鋰離子電池金屬提取方法比較

（三）產(chǎn)品制備過程：

浸出液中金屬的分離回收：正極材料經(jīng)過酸浸后得到的溶液中通常含有多種金屬離子，為實現(xiàn)浸出液中金屬鹽的制備，通常需要采用溶劑萃取、化學沉淀、結(jié)晶等組合工藝以實現(xiàn)金屬組分的分離與回收。

由于廢鋰離子電池金屬組分復雜，浸出液中通常含有多種金屬離子，雖然采用化學沉淀、溶劑萃取等組合工藝能夠?qū)崿F(xiàn)浸出液中金屬組分的分離回收，但是回收過程中需要消耗大量的化學試劑，回收的產(chǎn)品純度受雜質(zhì)和回收工藝的影響較為明顯，對工藝參數(shù)控制要求較高。

另外，分離回收金屬組分也存在回收工藝流程復雜、金屬組分回收率低、處理成本高和環(huán)境風險高等缺點。

正極材料的制備：由于溶液中Co、Ni和Mn等過渡金屬離子的性質(zhì)相似、不易分離，因此考慮直接將多種離子重新制備前驅(qū)體，再進一步合成電極材料，避免了分離的復雜步驟。

目前，用于前驅(qū)體制備的方法主要有共沉淀法和溶膠凝膠法。

共沉淀法是目前合成三元正極材料最常用的方法，該方法的優(yōu)點是工藝設(shè)備簡單，有利于工業(yè)化生產(chǎn)，但沉淀過程的影響因素較多，容易產(chǎn)生雜質(zhì)共沉淀。

溶膠凝膠法是另一種常用的合成電極材料的方法，該方法首先是將原料分散在溶劑中，加入適量絡(luò)合劑使之發(fā)生水解和聚合等過程形成溶膠，進而生成具有一定空間結(jié)構(gòu)的凝膠，最后經(jīng)過熱處理得到產(chǎn)品。

溶膠凝膠的方法處理溫度低、時間短，能夠?qū)崿F(xiàn)各組分原子級的混合，但是其重復性較差，目前主要應(yīng)用于實驗室。

未來需解決的問題

在預(yù)處理階段，如何安全高效地實現(xiàn)廢鋰離子電池的自動拆解是目前廢鋰離子電池產(chǎn)業(yè)化回收的重大阻礙；如何系統(tǒng)地對廢鋰離子電池中各組分進行回收再利用，如何減少或避免這些二次污染，這都需要進一步地深入研究。