清華新聞網(wǎng)1月6日電（通訊員 王騰）廢舊鋰離子電池和塑料廢棄物的高效、低碳回收是實(shí)現(xiàn)新能源產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。近日，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院鄧兵助理教授課題組提出了一種基于閃速焦耳加熱的電熱氯化協(xié)同回收新方法，可在數(shù)十秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)廢舊鋰離子電池中鋰和過(guò)渡金屬的高選擇性分離回收，展示了該方法對(duì)不同類(lèi)型鋰電池回收的通用性，并同步實(shí)現(xiàn)了將聚氯乙烯（PVC）塑料中的碳資源高值化轉(zhuǎn)化為石墨烯碳材料。
隨著電動(dòng)汽車(chē)和便攜式電子產(chǎn)品的快速普及，鋰離子電池已成為支撐能源轉(zhuǎn)型的核心技術(shù)之一。然而，大規(guī)模退役電池的出現(xiàn)也帶來(lái)了嚴(yán)峻的環(huán)境與資源挑戰(zhàn)。廢舊鋰離子電池中富含鋰、鈷、鎳、錳等重要金屬，這些金屬不僅資源稟賦高度集中，而且傳統(tǒng)開(kāi)采過(guò)程伴隨顯著的能源消耗和環(huán)境負(fù)擔(dān)。同時(shí)，電池回收過(guò)程中往往伴隨著大量塑料廢棄物的產(chǎn)生，其中，PVC塑料因含氯特性，在熱處理過(guò)程中易產(chǎn)生腐蝕性和潛在有害副產(chǎn)物，長(zhǎng)期以來(lái)被視為難以處理的廢塑料類(lèi)型。當(dāng)前主流的電池回收技術(shù)主要包括火法冶金、濕法冶金方法?；鸱ㄒ苯鸸に嚵鞒毯?jiǎn)單但能耗和碳排放高，且鋰等輕元素易損失；濕法冶金雖具有較高回收率，但依賴(lài)大量酸堿試劑，流程復(fù)雜且會(huì)產(chǎn)生二次廢水。與此同時(shí)，塑料在多數(shù)電池回收體系中僅作為燃料或還原劑被消耗，其碳資源價(jià)值并未得到充分利用。
針對(duì)上述問(wèn)題，鄧兵課題組提出了一種電熱氯化（Electrothermal Chlorination）協(xié)同回收策略，將廢舊鋰離子電池正極材料與PVC塑料在同一電熱反應(yīng)體系中處理，實(shí)現(xiàn)了多種廢棄物的協(xié)同轉(zhuǎn)化與資源高值化利用。該方法基于閃速焦耳加熱技術(shù)，通過(guò)脈沖電流在極短時(shí)間內(nèi)將反應(yīng)體系加熱至400℃-2000℃，并實(shí)現(xiàn)快速冷卻，從而在熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)層面精確調(diào)控氯化反應(yīng)過(guò)程。根據(jù)電熱氯化協(xié)同回收過(guò)程的整體原理和反應(yīng)路徑，PVC塑料在電熱條件下迅速裂解，釋放出HCl等氯源和活性還原性氣體，使鋰離子電池正極材料中的鋰選擇性氯化為水溶性的氯化鋰，而鈷、鎳、錳等過(guò)渡金屬則被還原為金屬態(tài)或氧化物形式。得益于不同金屬氯化反應(yīng)熱力學(xué)和產(chǎn)物溶解性的差異，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了鋰與過(guò)渡金屬的高效分離與選擇性回收：鋰可通過(guò)簡(jiǎn)單水浸提取，而過(guò)渡金屬可在溫和酸浸條件下回收。
圖1.基于電熱氯化的廢舊鋰離子電池和PVC塑料協(xié)同回收
在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中，研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)考察了LiCoO?、LiMn?O?以及LiNixCoyMn1?x?yO?等多種主流正極材料體系。結(jié)果表明，該方法對(duì)不同電池化學(xué)體系均具有良好的適用性。鋰和過(guò)渡金屬的回收率普遍達(dá)到94%-99%，鋰-過(guò)渡金屬分離系數(shù)最高可達(dá)~2600，顯示出極高的選擇性和穩(wěn)定性。此外，該電熱氯化過(guò)程在回收金屬的同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)了PVC塑料碳資源的高值化轉(zhuǎn)化。在高溫電熱環(huán)境和過(guò)渡金屬的催化作用下，PVC塑料中的sp3碳結(jié)構(gòu)被重排為高度有序的sp2碳結(jié)構(gòu)，生成具有片層結(jié)構(gòu)的石墨烯材料。結(jié)構(gòu)表征表明，該石墨烯材料具有良好的結(jié)晶度和性能，為塑料廢棄物提供了一條“由廢變材”的新路徑。
圖2. 電熱氯化實(shí)現(xiàn)鋰和過(guò)渡金屬的選擇性分離回收
研究還通過(guò)系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析和生命周期評(píng)價(jià)，對(duì)電熱氯化協(xié)同回收方法的工程應(yīng)用潛力進(jìn)行了評(píng)估。結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)濕法和火法回收工藝相比，電熱氯化協(xié)同回收方法的碳排放有望降低80%以上，同時(shí)由于酸堿等化學(xué)品消耗的減少，運(yùn)行成本顯著降低。此外，研究團(tuán)隊(duì)已在實(shí)驗(yàn)室尺度實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)器的放大驗(yàn)證，并構(gòu)建了公斤級(jí)閃速焦耳加熱反應(yīng)裝置，為后續(xù)中試和工程化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。該研究為廢舊鋰離子電池與含氯塑料的協(xié)同處理提供了一種新的技術(shù)范式，也為多源固體廢物的低碳、高值循環(huán)利用提供了新思路。
研究成果以“廢舊鋰離子電池和聚氯乙烯塑料協(xié)同回收”（Co-recycling of waste lithium-ion batteries and polyvinyl chloride plastics）為題，于北京時(shí)間1月1日發(fā)表于《細(xì)胞報(bào)道·物質(zhì)科學(xué)》（Cell Reports Physical Science）。
清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院助理教授鄧兵為論文通訊作者，探微書(shū)院2022級(jí)本科生王騰為論文第一作者。論文共同作者包括環(huán)境學(xué)院2025級(jí)博士生馮爾康、任振宇、曾韻璇，2023級(jí)博士生徐明月，科研助理黃子玉，2024級(jí)碩士生畢皓以及秀鐘書(shū)院2023級(jí)本科生黃淳。研究得到清華大學(xué)-豐田聯(lián)合研究院基金專(zhuān)項(xiàng)、北京市自然科學(xué)基金、國(guó)家自然科學(xué)基金等的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2025.103048
供稿：環(huán)境學(xué)院
圖片設(shè)計(jì)：李秦圩
編輯：李華山
審核：郭玲
