近期，昆明理工大学冶金与能源工程学院华一新教授团队在低共熔溶剂回收废旧锂离子电池领域取得重要研究进展，相关研究成果以“H2O-Balance-Regulated Cation-Anion Competitive Coordination for Selective Elements Extraction from Spent Lithium-ion Batteries”为题发表在期刊eScience上。昆明理工大学为论文第一单位，冶金与能源工程学院汝娟坚副教授为论文通讯作者，博士研究生程明强为论文第一作者。该研究获得云南省科技重大专项、云南省重点研发计划、云南省基础研究计划等项目的资助。

创新点一：基于水调控离子竞争配位的机制，提出了材料循环&溶剂循环的双循环策略。

全球锂离子电池（LIBs）市场的蓬勃发展必将带来相应原材料的枯竭和废旧LIBs的爆发式增长，因此，回收废旧LIBs对于维持电池供应链的完整和减少环境污染至关重要。针对传统回收方法中存在的问题：（1）Li在水溶液中难以形成锂盐沉淀；（2）需添加多种沉淀剂回收过渡金属；（3）以蒸发-结晶方式在工艺末端回收Li。作者基于水平衡调节低共熔溶剂（DESs）中离子竞争配位的机制，提出了选择性回收废旧LIBs中有价金属的策略，实现了材料循环&溶剂循环的双循环回收。

图1. LCO双循回收环策略设计和ChCl-OA-H2O DES溶解性能测试

创新点二：首次在低共熔溶剂中实现Li的优先提取及Co的精准分离，无需添加还原剂和沉淀剂。

由于锂盐在水溶液中的溶解度较高，使得Li难以直接沉淀，因此，如何实现Li的短程优先提取成为目前面临的巨大挑战。针对上述问题，作者提出采用氯化胆碱-草酸-水低共熔溶剂（ChCl-OA-H2O DES）回收废旧LIBs中的有价金属，其具备以下优势：（1）黏度低；（2）对金属氧化物溶解性高；（3）可选择性优先析出含锂化合物。全程无需添加还原剂和沉淀剂，首次实现了Li的优先提取及Co的精准分离。

图2. DES浸出液中Li和Co的选择性回收

创新点三：首次系统分析了H2O含量对DES中离子竞争配位的调节机制。

通过分子动力学（AIMD）模拟，阐明了H2O含量及浸出温度对DES中阴离子和金属离子竞争配位机制的影响，揭示了Li的优先析出和Co的精准分离机理。同时，将该策略推广到了LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2（NCM）、LiMn2O4（LMO）和LiFePO4（LFP）等多种LIBs正极材料的回收，为利用DESs回收废旧电池材料中的有价金属奠定了理论基础。

图3. 基于DFT计算的AIMD模拟和有价金属回收机制

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.esci.2024.100275

（供稿：冶金与能源工程学院）