通过顺序电化学双氧化与浸泡-放松最大化能量利用与锂浸出效率

为何旧车用电池仍然重要

锂离子电池为我们的手机、笔记本电脑以及越来越多的汽车提供动力。但随着数以百万计的电动汽车电池组退役，它们产生了一种新的废弃物——也带来了新的机会。报废电池中封存的锂和其他金属具有价值，但回收这些金属通常耗能巨大。本研究探讨了一种更聪明的方法，通过更高效地使用电能提取锂，降低成本和环境影响，同时满足全球对电池材料日益增长的需求。

把废电池变为资源

目前，大多数工业化的锂离子电池回收依赖于强烈的化学剂或高温熔炉。这些方法可以回收金属，但往往浪费能量，并且难以将锂从所谓的 NCM（镍、钴、锰）正极材料中干净地分离出来。研究团队关注一种更新、更清洁的路径：在盐水中施加电流，将锂从报废的正极材料中抽出。他们提出了一个简单却关键的问题：我们能否重新安排用电的时机与方式，使几乎每一瓦电能都用于去除锂，而不是在副反应中浪费掉？

两步舞：用力，然后静置

团队设计了一个两阶段工艺，结合主动“推动”和静默“浸泡”。第一阶段称为电化学双氧化，在含有报废 NCM 正极和氯化钠溶液的电池中施加恒定电压。电流将锂离子从固体拉入液相，同时在溶液中生成强氧化性物质。科学家们发现，大部分有用的工作发生在第一个小时：锂在开始时迅速离开晶体结构，而随后大部分电能被氧气起泡等副反应浪费掉。

让化学完成余下工作

研究者没有继续长时间通电，而是简单地切断电源，让电极在已被氧化的盐溶液中浸泡。出人意料的是，锂在静置阶段仍持续浸出，直到几乎全部被去除——对于新鲜的 NCM 材料回收率约为 99%，对于真实的废旧正极约为 98%。详细测量表明，第一阶段中被暂时推入更活泼状态的晶体内部氧原子，在第二个安静阶段成为了隐形驱动者。这些“活化”氧物种促进了缓慢的置换：锂离子扩散到液相，同时溶液中的钠（或钾）离子滑入空位，全过程无需额外电能输入。

晶体结构如何重排

利用电子显微镜、X 射线衍射和光谱学，团队观察到随着锂的离去，正极颗粒出现开裂、变薄并改变内部堆层。材料在从富锂到贫锂的过程中经历了几种已知的层状排列，最终成为一种富钠的形态，该形态在保留结构的同时不再含有大量锂。在此过程中，镍和钴原子改变了它们的价态以保持整体材料的电中性，而锰大体保持不变，帮助稳定骨架。研究人员还表明，钾离子比钠更容易脱去其水合分子，因而能够进一步加速离子置换步骤。

从实验台到工业车间

为检验该思路在实验室外的可行性，团队建造了一个试点系统，每批可处理约半公斤的真实电池废料。采用他们的两阶段方法，回收出超过 98% 的锂，生成高纯度碳酸锂，适合用于制造新电池。关键在于，一旦“智能化学”被触发便切断电源，该工艺使用的电能约为传统单阶段电化学方法的一半，在每吨回收的正极材料上节省了超过五分之一的运营成本。

这对未来电池意味着什么

简而言之，研究表明我们并不总是需要持续不断地输入电能来从废旧电池中回收有价值的材料。一次合时宜的短暂通电可以准备好材料和溶液，使剩余工作由内部化学力完成。如果该两阶段方法在规模上被采纳，将使从报废 NCM 电池中回收锂变得更便宜、更清洁并更具吸引力，帮助闭合电池生命周期的循环，减轻对新锂矿开采的压力。

引用: Zhong, W., Gu, X., Feng, X. et al. Maximizing energy utilization and lithium leaching efficiency via sequential electrochemical dual-oxidation and soaking-relaxation. Nat Commun 17, 2050 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69834-x

关键词: 锂回收, 电池废料, 高能效浸出, NCM 正极材料, 电化学回收