近日，中國科學技術大學化學與材料科學學院陳維教授課題組在國際知名期刊《Nature Sustainability》上發表了題為“Electrochemical lithium recycling from spent batteries with electricity generation”的研究型論文。該研究首次提出了一種基于電化學原理的綠色可持續廢棄物回收管理策略，能夠同時實現廢舊鋰離子電池正極材料中的鋰資源回收和工業尾氣中的氮氧化物污染物的捕獲和轉化。研究團隊巧妙設計了一種無能量消耗的回收方法，利用尾氣中二氧化氮的電化學還原電位與廢舊電池正極材料的電化學氧化電位差，不僅成功回收了廢舊電池正極材料中的鋰資源，還將二氧化氮轉化為高價值的硝酸鋰鹽。與此同時，這一過程還能實現大量的能量輸出，為鋰回收與污染物治理提供了一種高效、環保且具有經濟價值的全新解決方案。
 

　　圖1.廢舊鋰離子電池正極和二氧化氮污染物同時回收設計思路。

 

　　具體而言，鋰離子將自發地從廢舊鋰電池正極材料中脫出進入電解液中而另一側的二氧化氮則會被還原為亞硝酸根，兩者結合形成的亞硝酸鋰為直接的電化學反應產物，同時產生大約0.4 V的輸出電壓。電化學反應產物亞硝酸鋰則會被空氣中的氧氣進一步氧化成為更加穩定的硝酸鋰產物。
 

　　NO2 capture: NO2+ e?→ NO2? Eo= 0.88 V vs. RHE (1)
 

　　Li recycling: LiFePO4? e?→ Li++ FePO4 Eo= 0.5 V vs. RHE (2)
 

　　Overall: LiFePO4+ NO2→ LiNO2+ FePO4 Eoutput= 0.38 V (3)
 

　　LiNO3 production: 2LiNO2+ O2→ 2LiNO3 (4)
 

　　作者分析了所提出的回收策略與傳統回收策略在經濟和環保等方面的優劣勢。針對電池回收工藝中各個主要回收步驟的能耗、二氧化碳排放以及成本收益進行系統性的核算后顯示，所提出的回收工藝在能耗和二氧化碳排放量上遠遠低于目前主流的回收策略，表明該策略在綠色可持續經濟上具有絕對的領先優勢。對成本收益計算結果分析，表明所提出的策略也是優于其它四種傳統回收策略。
 

　　圖2.不同回收策略的技術經濟分析。

 

　　中國科學技術大學化學與材料科學學院博士研究生王衛平為論文的第一作者，中國科學技術大學化學與材料科學學院、合肥微尺度物質科學國家研究中心的陳維教授為該論文的唯一通訊作者。該研究工作得到自然科學基金委重大研究計劃項目和面上項目，中國科大創新團隊培育基金，中國科大人才團隊項目以及中國科學技術大學理化實驗中心、超算中心和微納中心提供的幫助。