南科大环境学院陈洪团队在退役锂电池绿色低碳资源循环利用领域取得重要研究进展

近期，南方科技大学环境科学与工程学院陈洪研究员团队在退役锂电池绿色低碳资源循环利用方面，取得重要进展，相关研究论文发表于Nature Communications、Angewandte Chemie International Edition、Environmental Science & Technology等环境化学领域高水平期刊。

工作一  电化学双氧化（EDO）与化学浸泡弛豫两阶段耦合，实现退役锂电池正极低能耗、深度浸锂

随着电动汽车的普及，退役锂离子电池的数量激增，其中富含锂等关键金属的三元电池（NCM）的可持续回收至关重要。传统的火法和湿法冶金存在能耗高、污染重或流程长等问题。新兴的电化学提锂方法具有环境友好、选择性高等优点，但其电能利用效率仍有待优化。尤其是在提锂后期，副反应（如析氧反应）主导能耗，导致能量效率显著下降。因此，如何优化能量输入曲线，实现高效且节能的锂浸出，是该领域面临的关键挑战。针对退役三元锂离子电池正极材料中提锂过程中电能消耗过高的问题，本研究在课题组前期开发的电化学“双氧化”浸锂技术基础上（Proceedings of the National Academy of Sciences, 2024, 121, 43,e2414741121），为实现三元锂电池中锂的深度浸出，提出了一种两段式连续氧化提锂方法。该方法通过将第一阶段的电化学双氧化（EDO）与第二阶段的浸泡弛豫相结合，实现了对电能的高效利用。以 LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂（NCM111）为模型材料，在最优条件下实现了 99.87%的锂浸出效率，同时电能消耗降低了 49.78%。机理研究表明，第一阶段的EDO不仅驱动锂从晶格中脱出，更重要的是诱导了晶格氧（O^2-）向氧化态晶格氧（O^n-）的转化，为第二阶段无外加电能输入下的持续化学浸泡提锂提供了驱动力。该工作为电化学法可持续回收退役锂离子电池中的关键金属提供了理论支撑和技术路径。相关成果以“Maximizing energy utilization and lithium leaching efficiency via sequential electrochemical dual-oxidation and soaking-relaxation”为题，发表在国际著名期刊Nature Communications上。

图1 两段式氧化方法从退役三元锂离子电池正极材料中提取锂的机制示意图

工作二  H⁺/OH⁻可切换调变配位场用于退役锂离子电池过渡金属选择性回收

退役锂离子电池除了富含锂金属外，还蕴藏着多种有价过渡金属，例如磷酸铁锂电池中的铁（Fe），以及三元锂电池中的镍（Ni）、钴（Co）、锰（Mn）。对这些关键金属进行梯次回收利用，不仅能有效规避潜在的环境风险，还能显著缓解锂离子电池供应链面临的资源短缺问题。然而，如何在温和条件下实现兼具高选择性、高效率与高普适性的金属回收，一直是该领域的核心挑战。受高水溶性亚铁氰化钾（K₄Fe(CN)₆，Ksp=32.79）与难溶性普鲁士蓝类似物K₂MFe(CN)₆（M=Fe、Co、Mn、Ni）之间由H^⁺/OH^⁻驱动的配位化学机制启发，研究团队提出了一种新颖的“H⁺/OH⁻对可切换调变配位化学”机制。该工艺采用K₄Fe(CN)₆水溶液作为浸出介质，在酸性条件下通过配位作用选择性浸出锂离子并形成固态中间体K_0.5H_1.5MFe(CN)₆•H₂O，随后在碱性条件下触发解配位反应，将该中间体转化为高价值的金属氢氧化物（MOOH），同时实现螯合剂K₄Fe(CN)₆的原位再生。通过原位粉末X射线衍射和时间分辨拉曼光谱，团队明确了该过程中的相变机制及M-O与M-N配位环境的可逆切换。该方法不仅可实现螯合剂低损耗循环，且适用于多种退役电池正极材料，技术经济分析进一步证实了其优异的经济可行性与环境效益。该研究不仅为退役锂离子电池的资源化利用提供了可持续的新方案，也为未来从更广泛的城市矿产中高效回收关键金属提供了新的思路。相关成果以“H⁺/OH⁻ Switchable Coordination Chemistry Enables Sustainable and Selective Critical Metal Recovery from Spent Li-Ion Batteries”为题，发表在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。

图2 基于K₄Fe(CN)₆水溶液中H^⁺/OH^⁻可切换配位化学梯次回收关键金属

工作三  “三合一”自牺牲机制驱动退役锂离子电池中关键金属绿色化学回收

开发绿色高效的方法从退役锂离子电池中回收关键金属，对于实现循环经济和建设可持续发展社会至关重要。然而，传统的火法或湿法冶金技术通常伴随着高能耗或大量有害化学试剂的消耗，这阻碍了绿色循环技术的进展。为解决这一难题，研究团队创新性地采用一种环境友好且可商业获取的绿色化学试剂过氧乙酸（PAA），从退役锂电池正极材料中高效浸出锂（Li）、Ni、Co、Mn等多种关键金属。实验结果表明，对于NCM622正极材料，该方法可实现Li、Ni、Co、Mn的同步浸出，各金属浸出率均在99%以上。进一步的机理研究揭示，浸出过程中存在一种“三合一”的协同自牺牲机制，即过氧乙酸可同时提供质子攻击、络合作用和氧化还原三类驱动力，这些作用协同促使NCM622材料结构坍塌并成功浸出其中的关键金属元素。此外，将该方法应用于不同类型的锂离子电池正极材料，在优化工艺条件下均可实现关键金属的高效回收，表明该绿色试剂对不同类型的退役锂离子电池的多关键金属回收具有良好的普适性。同时，通过蒸发-冷凝回流工艺可回收52.64%的乙酸，表明该方法具有溶剂循环利用的特性，能最大限度减少废水产生。该创新技术将三类不同的化学驱动力集成于单一化学试剂中，实现了多种退役锂离子电池中关键金属的高效回收，为推动绿色低碳的循环经济发展开辟了新途径。相关成果以“Three-in-One Self-Sacrifice Mechanism Driving Green and Universal Critical Metals Leaching from Spent Lithium-Ion Batteries”为题，发表在国际著名期刊Environmental Science & Technology上。

图3 基于PAA“三合一”自牺牲机制驱动的退役锂离子电池中关键金属浸出的机制示意图

团队硕士生仲伟旭为论文一的第一作者，博士后曾强与冯雪真为论文二的共同第一作者，博士生冯晓楠与博士后谷晓松为论文三的共同第一作者，陈洪为三篇论文的唯一通讯作者，南方科技大学为论文第一单位与通讯单位。相关成果已获授权国家发明专利2项。

上述工作得到了国家自然科学基金面上项目、国家重点研发计划青年科学家项目、广东省杰出青年基金项目、深圳市基础研究重点项目、深圳市面上项目、深圳市双碳专项等基金项目的资助，同时依托土壤污染防治与安全国家重点实验室、广东省土壤和地下水污染控制重点实验室、深圳市材料界面科学和工程应用重点实验室等研究平台完成。

复制下方论文链接至浏览器访问，即可查看论文：

论文一

https://doi.org/10.1038/s41467-026-69834-x 

论文二

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202522624 

论文三

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.5c11601