鋰電池回收過程中的污染治理與資源化利用技術(shù)研究

中圖分類號：X76 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）05-0180-04

DOI： 10.3969/j.issn.1008-9500.2025.05.053

Abstract：Thelarge-scaleapplicationof lithium bateries hasled toacontinuous increase in waste，and pollution control and resource utilization during their recycling process have become the core research topics.This paper analyzes the polution sources and mainpollutant characteristics in the processoflithiumbattryrecycling，explores the technical paths of chemical，physical，andbiological treatmenttechnologiesandcomprehensive treatment，andsummarzesthestrategies for improving polution control and resource utilization efficiency by combining rare metal recyclingand purification， organic solvent regeneration，new material preparation and other resource utilization methods.Research has shown that comprehensivegovermanceand inteligent optimization based onmulti technology integrationcan significantly improve recycling eficiencyand environmental friendliness，providing technical supportand theoreticalreferenceforthegreen development of the lithium battery recycling industry.

Keywords： lithium battery recycling; pollution control; resource utilization

廢鋰電池含有鈷、鋰、鋁、銅、鐵等可回收的金屬資源，以及電解質(zhì)、有機黏結(jié)劑等有毒成分，如果不對廢鋰電池中的金屬物質(zhì)進(jìn)行回收處理、對有毒物質(zhì)進(jìn)行有效處理，就會降低金屬資源的利用率，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，有毒有害物質(zhì)經(jīng)過生態(tài)系統(tǒng)的自然循環(huán)，最終會進(jìn)入人體或以各種形式影響人們的身體健康。如何從資源再利用和污染控制兩個角度，有效利用資源化技術(shù)，提取廢鋰電池內(nèi)可回收的金屬資源，并盡可能降低鋰電池處理后排放對環(huán)境造成的污染，是現(xiàn)階段行業(yè)內(nèi)研究的重要課題[1]。

1鋰電池回收過程中的污染特性

1.1回收過程中的污染源解析

鋰電池回收的污染主要源于其復(fù)雜材料和處理工藝。正極材料中的鋰、鈷、鎳和錳在機械粉碎、熱處理及濕法冶金中釋放，形成固態(tài)廢料或溶解離子，對土壤和水體構(gòu)成威脅。電解液中的有機溶劑（如碳酸乙烯酯）和六氟磷酸鋰在高溫或潮濕條件下分解生成氟化氫等高毒性物質(zhì)。此外，隔膜和外殼材料在熱解或燃燒中產(chǎn)生揮發(fā)性有機物（VolatileOrganicCompounds，VOCs）和顆粒物，對空氣質(zhì)量構(gòu)成直接威脅。系統(tǒng)識別污染源及其路徑對后續(xù)污染治理具有重要意義。

1.2主要污染物及其環(huán)境影響

鋰電池回收中的主要污染物包括重金屬、有機污染物和氣態(tài)污染物。重金屬如鈷和鎳通過遷移和生物積累對水體和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生長期危害。有機污染物以電解液為主，降解速率低，其分解產(chǎn)物如氟化氫通過大氣化學(xué)反應(yīng)形成酸雨，進(jìn)一步擴(kuò)大污染影響范圍[2]。氣態(tài)污染物（如二氧化碳、氮氧化物）在熱處理階段釋放，可能伴隨二噁英類物質(zhì)，具有高毒性和環(huán)境持久性。這些污染物的環(huán)境影響需結(jié)合高時空分辨率動態(tài)監(jiān)測展開定量分析。

1.3污染監(jiān)測與評估方法

鋰電池回收污染的監(jiān)測與評估需結(jié)合污染物特性與分布行為。重金屬可通過電感耦合等離子體質(zhì)譜（Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry，ICP-MS）技術(shù)精確檢測，同時結(jié)合掃描電子顯微鏡（ScanningElectron Microscope，SEM）表征顆粒物的形態(tài)與結(jié)構(gòu)[。有機污染物分析可采用氣相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用（Gas Chromatography-Mass Spectrometry，GC-MS），全面解析電解液泄漏與擴(kuò)散特征。氣態(tài)污染物監(jiān)測利用傅立葉變換紅外光譜（FourierTransformInfraredSpectroscopy，F(xiàn)TIR），實時檢測氟化氫、二氧化碳和VOCs。此外，基于生命周期評價（LifeCycleAssessment，LCA）的評估方法可量化資源消耗與污染排放，為污染治理技術(shù)優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)，助力鋰電池回收，實現(xiàn)綠色與可持續(xù)發(fā)展。

2鋰電池回收過程中的污染治理技術(shù)

2.1化學(xué)處理技術(shù)

在鋰電池回收過程中，化學(xué)處理技術(shù)通過溶解、分解和沉淀等化學(xué)反應(yīng)對重金屬、電解液中的污染物進(jìn)行有效處理和轉(zhuǎn)化。

2.1.1 重金屬浸出反應(yīng)

濕法冶金處理正極材料時，常使用酸性溶液（如H₂SO₄ ）作為浸出介質(zhì)，氧化劑（如 H₂O₂ ）協(xié)同增強反應(yīng)動力學(xué)[4。鈷和鋰的典型浸出反應(yīng)為

LiCoO₂+2H₂SO₄+H₂O₂?CoSO₄+Li₂SO₄+2H₂O （1）

該反應(yīng)將正極材料中的鋰和鉆轉(zhuǎn)化為可溶性硫酸鹽，方便后續(xù)的金屬提純和分離。

2.1.2 電解液分解與處理

電解液中的 LiPF₆ 易于水解，生成HF和次磷酸。為降低毒性，可通過中和反應(yīng)將氟化氫轉(zhuǎn)化為無毒的氟化物沉淀，方程式為

LiPF₆+H₂O?LiF+PF₅+HF

通過添加堿性物質(zhì)（如 NaOH 或 CaO ）進(jìn)行中和，方程式為

HF+NaOH?NaF+H₂O

生成的NaF為低毒性固體，易于安全處置。

2.1.3 重金屬沉淀反應(yīng)

在金屬離子的分離過程中，添加沉淀劑（如Na₂S ）可將金屬離子轉(zhuǎn)化為不溶性的金屬硫化物，方程式為

Co²⁺+Na₂S?CoS↓+2Na⁺

此反應(yīng)可以高效去除鈷離子，生成的沉淀也便于進(jìn)行集中處理。

2.1.4 催化降解反應(yīng)

LiPF₆ 的分解可通過催化劑（如 TiO₂ ）加速，將揮發(fā)性污染物分解為無害氣體。例如，HF在 TiO₂ 表面進(jìn)行氧化反應(yīng)的方程式為

通過以上化學(xué)反應(yīng)示例可以看出，化學(xué)處理技術(shù)不僅能有效分解和轉(zhuǎn)化鋰電池中的污染物，還能實現(xiàn)資源化回收，提高鋰電池回收工藝的整體效率和環(huán)保性。

2.2物理處理技術(shù)

物理處理技術(shù)基于機械與物理分離作用，在鋰電池回收中承擔(dān)初步污染治理的任務(wù)。機械破碎設(shè)備（如高速剪切機和行星式球磨機）通過剝離正極涂層和顆粒化處理，提高電極材料的比表面積與反應(yīng)活性[5]。靜電分選技術(shù)利用金屬與非金屬的導(dǎo)電性差異，通過電場實現(xiàn)鋁、銅等金屬的高效分離；磁選技術(shù)專注于鐵磁性材料的分離，常與其他工藝聯(lián)合應(yīng)用，以提升分離純度。在揮發(fā)性污染物治理方面，低溫等離子體技術(shù)通過活性粒子分解揮發(fā)性有機物和氟化物，顯著降低其環(huán)境毒性。物理處理具有能耗低、工藝簡單的優(yōu)勢，但對復(fù)雜廢料的分離選擇性仍存在不足，需結(jié)合智能化監(jiān)控技術(shù)優(yōu)化參數(shù)，以應(yīng)對多樣化污染。

2.3生物處理技術(shù)

生物處理技術(shù)以微生物和生物酶的代謝活性為核心，提供了低成本、環(huán)境友好的污染治理方案。在重金屬處理方面，硫氧化菌和鐵氧化菌等耐金屬菌株通過胞外聚合物和細(xì)胞壁與金屬離子形成穩(wěn)定絡(luò)合物，實現(xiàn)金屬的沉淀與回收。針對電解液中的有機污染物，厭氧發(fā)酵技術(shù)通過微生物代謝作用，將長鏈有機物轉(zhuǎn)化為短鏈脂肪酸或甲烷，實現(xiàn)污染物的無害化與能源回收。基因工程技術(shù)通過改造微生物代謝路徑，顯著提升其降解特定污染物的速率與適應(yīng)性。然而，生物處理在應(yīng)對多樣化污染物與復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性方面仍存在技術(shù)瓶頸，未來需強化多菌種聯(lián)合作用研究，優(yōu)化反應(yīng)器設(shè)計，進(jìn)一步提升處理效率與穩(wěn)定性。

2.4綜合治理技術(shù)的集成與優(yōu)化

鋰電池回收中的污染治理需要依賴多種技術(shù)的協(xié)同作用，以實現(xiàn)復(fù)雜污染環(huán)境的全方位治理。化學(xué)處理、物理處理與生物處理的集成能夠在不同階段充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，從而實現(xiàn)污染物的高效分離與資源的最大化回收。綜合治理方案的實施需要實時監(jiān)控與智能化優(yōu)化技術(shù)的支撐，基于人工智能算法的動態(tài)調(diào)控能夠顯著提升處理效率，并降低資源與能耗的浪費。鋰電池回收綜合治理技術(shù)流程如圖1所示。

圖1鋰電池回收綜合治理技術(shù)流程

3鋰電池回收的資源化利用技術(shù)

3.1稀有金屬的回收與提純

鋰電池中的稀有金屬資源（如鋰、鈷、鎳、錳）具有極高的經(jīng)濟(jì)價值和廣泛的工業(yè)應(yīng)用潛力，其高效回收與提純是實現(xiàn)資源化利用的核心環(huán)節(jié)。濕法冶金工藝作為當(dāng)前最常用的技術(shù)，通過酸浸過程將金屬氧化物轉(zhuǎn)化為溶解態(tài)金屬離子，再結(jié)合溶劑萃取、沉淀和電解精煉等技術(shù)步驟，實現(xiàn)稀有金屬的高純度回收。同時，電解精煉技術(shù)以其高效性和低能耗特點在金屬提純中發(fā)揮著重要作用，通過電化學(xué)方法將金屬從電解液中沉積為高純金屬材料，從而實現(xiàn)高效分離和經(jīng)濟(jì)效益的統(tǒng)一。在濕法冶金工藝條件下，不同金屬的回收效率與純度數(shù)據(jù)如表1所示。

表1濕法冶金中稀有金屬的回收效率與純度數(shù)據(jù)

單位：%

3.2有機溶劑的再生與利用

鋰電池電解液中使用的有機溶劑（如碳酸乙烯酯、二甲基碳酸酯）具有較高的再利用價值。再生技術(shù)主要包括蒸餾和膜分離方法。通過減壓蒸餾技術(shù)，可利用溶劑的沸點差異將其與雜質(zhì)分離，從而獲得高純度的再生溶劑。膜分離技術(shù)利用有機溶劑與污染物之間的物理化學(xué)性質(zhì)差異，通過納濾膜或反滲透膜實現(xiàn)高效分離。近年來，分子篩吸附技術(shù)逐漸應(yīng)用于電解液再生，通過對特定分子尺寸的精準(zhǔn)選擇性吸附，有效提高了溶劑的回收率和純度。此外，化學(xué)催化加氫法能夠?qū)Σ糠纸到獾挠袡C溶劑進(jìn)行分子修復(fù)，恢復(fù)其化學(xué)活性，為電解液的循環(huán)使用提供技術(shù)支持。

3.3新材料的制備與應(yīng)用

鋰電池回收過程中產(chǎn)生的廢料和副產(chǎn)物為制備新材料提供了寶貴的原料來源。廢正極材料經(jīng)過回收和提純，可作為新一代電池正極材料（如磷酸鐵鋰和鎳鈷錳氧化物）的重要組分。通過燒結(jié)、溶膠－凝膠法等工藝，將提純后的金屬氧化物加工為具有良好電化學(xué)性能的活性材料，用于新電池的制造。負(fù)極中的石墨材料經(jīng)過物理分選與化學(xué)清洗后，具有制備高性能導(dǎo)電材料的潛力，如石墨烯和石墨納米片，這些材料在電子器件和儲能設(shè)備中應(yīng)用廣泛。電解液降解過程中生成的副產(chǎn)物則可用作催化劑載體或高分子材料的原料。

3.4資源化利用效率的提升策略

為了實現(xiàn)資源化利用效率的最大化，鋰電池回收技術(shù)需要從工藝優(yōu)化、裝備升級和智能化控制3個方面協(xié)同推進(jìn)。多技術(shù)集成工藝在提升整體回收率方面表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，例如，機械分選與濕法冶金聯(lián)合應(yīng)用可降低物料的復(fù)雜性，從而減少處理環(huán)節(jié)的能耗與試劑消耗。在裝備方面，模塊化與自動化設(shè)計顯著提升了設(shè)備的適用性與操作效率，同時降低了人工干預(yù)對回收質(zhì)量的影響。智能化監(jiān)控技術(shù)通過實時采集工藝參數(shù)（如溫度、pH值、濃度），結(jié)合機器學(xué)習(xí)算法動態(tài)優(yōu)化處理流程，進(jìn)一步提高資源回收率和產(chǎn)品質(zhì)量。未來研究還需要關(guān)注回收技術(shù)的LCA，全面評估環(huán)境影響與經(jīng)濟(jì)效益，以推動鋰電池回收產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

4結(jié)論

鋰電池回收的污染治理與資源化利用對環(huán)境保護(hù)和資源循環(huán)利用具有重要意義。通過化學(xué)、物理和生物處理技術(shù)，能夠有效解決污染問題，而綜合治理與智能化優(yōu)化顯著提升了治理的效率和精準(zhǔn)性。在資源化利用方面，稀有金屬回收、有機溶劑再生以及副產(chǎn)物的深度開發(fā)，推動了鋰電池廢棄物的高值化利用。未來需進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù)，引入綠色處理材料，發(fā)展智能化監(jiān)控與動態(tài)調(diào)整技術(shù)，實現(xiàn)回收效率與環(huán)境友好性的協(xié)同，為鋰電池回收產(chǎn)業(yè)的高效、綠色和智能化發(fā)展提供技術(shù)保障。

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