利用基于磷酸盐的浸出系统，从废旧磷酸铁锂电池中绿色且选择性地回收锂

《Waste Management》：Green and selective recovery of lithium by phosphate based leaching system from spent lithium iron phosphate batteries

　　高效磷酸铵-过氧化氢选择性浸出再生锂铁磷酸电池技术，在65℃、20分钟温和条件下实现100%锂选择性回收和95.78%锂利用效率，再生材料循环稳定性优异。

　　随着新能源技术的快速发展，锂离子电池（LIBs）在电动汽车、便携式电子设备以及可再生能源系统中得到了广泛应用。锂铁磷酸盐（LiFePO?，LFP）电池因其高安全性和优异的循环稳定性，在中国新能源市场占据主导地位，市场占有率高达66.1%。然而，随着LFP电池使用量的持续增长，其报废量也在迅速增加。如何高效、环保地回收这些废旧电池，已成为当前资源循环利用领域的重要课题。

当前LFP电池的回收技术仍存在诸多挑战。传统的回收方法，如火法冶金和湿法冶金，虽然在一定程度上能够实现金属的提取，但往往伴随着高能耗、设备腐蚀、环境污染以及复杂的后续处理步骤。火法冶金过程中，锂容易流失至炉渣，导致回收效率低下；而湿法冶金则通常使用强酸作为浸出剂，不仅会造成酸液污染，还会对处理设备产生腐蚀，增加了生产成本和环境负担。此外，现有技术在锂的选择性提取方面表现不佳，容易造成铁、磷等其他成分的共溶，进一步增加了分离和纯化难度。

为了解决上述问题，本研究提出了一种基于磷酸盐体系的新型浸出技术，结合了缓冲性能的铵二氢磷酸盐与氧化剂过氧化氢，以实现对废旧LFP电池中锂的高效、选择性提取。该技术在温和条件下（65℃，20分钟）运行，能够在不破坏铁磷酸盐结构的前提下，实现锂的100%选择性提取和95.78%的锂回收率。与传统酸浸出方法相比，该技术不仅减少了废物的产生，还简化了处理流程，为可持续回收废旧LFP电池提供了一种新的绿色路径。

该浸出系统的核心在于其缓冲性能。磷酸盐体系能够在浸出过程中维持一个稳定的弱酸性环境，从而有效促进锂的溶解，同时抑制铁和磷的溶解。这种稳定的pH环境有助于提高锂的选择性提取效率，避免了传统酸浸出方法中因pH波动而导致的杂质混溶问题。此外，过氧化氢的加入为系统提供了氧化潜力，使得铁能够以不溶的FePO?形式沉淀下来，从而防止其进一步溶解，提高了整个回收过程的效率和环保性。

通过系统研究不同浸出参数的影响，包括反应温度、时间、试剂比例以及固液比，我们发现该浸出系统在优化条件下能够实现最佳的锂提取效果。实验结果表明，当反应温度设定为65℃，反应时间控制在20分钟，铵二氢磷酸盐与LFP的摩尔比为1:1，过氧化氢浓度为2体积%，固液比为5g/L时，系统表现出最高的锂回收效率和选择性。这一优化方案不仅降低了能源消耗和化学品用量，还减少了整个处理过程的复杂性，使得锂的提取更加高效和环保。

在实验过程中，我们还对浸出反应的热力学和动力学行为进行了深入分析。热力学研究表明，弱酸性和氧化性的环境能够显著促进锂的提取。动力学分析进一步揭示了该反应遵循化学反应控制模型，其活化能为19.93 kJ/mol，表明反应在较低能量下即可顺利进行。这种低活化能的特性使得该浸出系统在工业应用中更具可行性，能够在不增加过多能耗的情况下实现高效的锂提取。

此外，我们还通过固态合成方法，将提取得到的锂碳酸盐与铁磷酸盐残渣直接用于正极材料的再生。实验结果表明，再生后的LFP电池正极材料表现出优异的电化学性能，其在0.2C倍率下的放电容量达到158.72 mAh·g?1，并在400次循环后仍能保持91.33%的容量保持率。这一结果表明，该浸出系统不仅能够高效提取锂，还能在不破坏材料结构的前提下实现正极材料的再生，为废旧LFP电池的循环利用提供了切实可行的解决方案。

本研究的创新点在于提出了一种结合缓冲性能和氧化能力的新型浸出系统，该系统能够在温和条件下实现对锂的高效、选择性提取，同时减少对环境的污染。与传统的酸浸出方法相比，该技术具有更低的能耗、更少的化学品使用量以及更简单的处理流程，从而降低了整体的生产成本和环境影响。此外，该系统还能够直接用于正极材料的再生，无需复杂的纯化步骤，提高了整个回收过程的效率。

在实际应用中，该技术具有广阔的前景。随着LFP电池在新能源汽车和储能系统中的广泛应用，其报废量将不断增加。如何高效、环保地回收这些废旧电池，不仅关系到资源的可持续利用，也对环境保护具有重要意义。本研究提出的浸出系统，能够在不破坏铁磷酸盐结构的前提下，实现对锂的高效提取和选择性回收，同时减少对环境的污染，为LFP电池的绿色回收提供了新的思路。

该技术的另一个重要优势在于其对资源的再利用能力。通过固态合成方法，提取得到的锂碳酸盐和铁磷酸盐残渣可以直接用于正极材料的再生，从而实现了资源的闭环利用。这种直接再生的方式不仅减少了对新原料的需求，还降低了原材料开采带来的环境影响，有助于构建更加可持续的电池回收体系。

此外，该浸出系统在工业应用中具有较高的可行性。由于其在温和条件下运行，避免了高温处理带来的设备损耗和安全隐患。同时，该系统对试剂的用量和浓度进行了优化，降低了生产成本。与传统方法相比，该系统能够在更短的时间内完成浸出过程，提高了生产效率。这些优势使得该技术在实际应用中更具竞争力，能够满足大规模废旧电池回收的需求。

本研究的成果为LFP电池的回收提供了新的技术路径。通过结合缓冲性能和氧化能力，该浸出系统能够在不破坏材料结构的前提下，实现对锂的高效提取和选择性回收。同时，该系统还能够直接用于正极材料的再生，无需复杂的纯化步骤，提高了整个回收过程的效率和环保性。这些研究成果不仅有助于推动LFP电池的循环利用，也为其他类型的锂离子电池的回收提供了参考。

在未来的应用中，该技术还可以进一步优化，以适应不同规模和类型的废旧电池回收需求。例如，针对不同批次的废旧电池，可以调整浸出参数，以实现最佳的锂提取效果。此外，该技术还可以与其他回收技术相结合，形成更加完善的电池回收体系。通过多步骤协同处理，可以进一步提高锂的回收率和纯度，同时减少对环境的污染。

本研究的结论表明，通过开发具有缓冲性能和氧化能力的新型浸出系统，能够实现对废旧LFP电池中锂的高效、选择性提取，同时减少对环境的污染。该系统在温和条件下运行，避免了高温处理带来的设备损耗和安全隐患，同时降低了生产成本。与传统方法相比，该系统能够在更短的时间内完成浸出过程，提高了生产效率。这些优势使得该技术在实际应用中更具竞争力，能够满足大规模废旧电池回收的需求。

该研究的成果不仅对LFP电池的回收具有重要意义，也对整个锂离子电池的循环利用体系产生了积极影响。通过探索新型绿色回收路径，本研究为实现资源的可持续利用提供了技术支持。此外，该技术的推广和应用，也有助于减少电池报废带来的环境污染，提高整个行业的环保水平。这些成果将为未来电池回收技术的发展提供新的方向和思路，推动新能源产业的可持续发展。