通过水热法直接回收报废锂离子电池正极活性材料

为什么废旧汽车电池仍然重要

电动汽车依赖充满镍、锰、钴和锂等贵重金属的锂离子电池。随着数以百万计的电池达到寿命终点，全球面临双重挑战：如何避免大量有毒废物堆积，同时减少对新采矿的依赖。本研究探索了一种“修复”这些电池中最重要部件之一——正极材料的方法，使其能够以远低于当前回收方法的能耗、污染和成本重新用于新电池。

从废物问题到资源循环

作者将报废电池包视为战略性资源而非垃圾。随着电动汽车规模扩大，欧洲目前的回收水平远不能满足需求，而传统方法依赖高温熔炼或强酸处理。这些工艺只能回收部分金属，常常损失锂，消耗大量能源并产生额外废物流。相比之下，本研究中的方法——称为直接回收——旨在尽可能保持正极的结构完整，仅修复使用过程中丢失的部分。这对广泛使用的正极材料NMC622尤为重要，该材料存在于如现代KONA等商业电动汽车中。

温和修复疲惫的电池材料

研究团队并未将所有材料粉碎还原为基本元素，而是从真实的退化汽车电池单体出发，小心分离出仅含正极材料的洁净粉末。然后他们使用一种基于水的工艺——水热回锂：将粉末与富锂溶液混合，封入压力容器在中等温度下处理，随后进行短时高温热处理。在此过程中，锂离子重新进入耗竭的颗粒，晶体结构得到修复，从而恢复材料的储放电能力。通过设计一系列系统化实验，研究者改变锂浓度、温度和反应时间，寻找哪种组合最能修复材料。

在修复配方中寻找最佳平衡点

精确测量表明，起始正极粉末锂含量不足，表面受损且出现不再适合电池工作的额外相。处理后，最佳样品恢复出与新商业NMC622非常接近的洁净层状晶体结构。统计分析显示，锂浓度和温度在成功修复中起主导作用，而时间的影响取决于锂的含量。一个关键发现是，较温和的条件——160°C、相对浓的锂溶液和短时一小时处理——可产生具有更少缺陷、更好锂迁移性和更低电阻的有序材料，而优于处理时间更长的样品。

对重建正极的性能测试

为了验证修复后的粉末是否真的表现如新，作者制备了纽扣电池大小的测试电池，并与商业NMC622正极直接比较。最佳再生样品的放电容量接近新材料，经50次充放电循环后仍保持约80%的容量，并且在更高充电倍率下表现出令人惊讶的良好性能——在所测的最高倍率下，它甚至优于商业参考样品。经更严苛处理的其他再生样品在晶体内部表现出更多的原子混位和更慢的锂迁移，这反映为更高的内阻和更快的性能衰退。并列比较将工艺条件与微观结构以及实际电池行为联系了起来。

为循环未来打造更清洁的电池

除了恢复性能外，水热修复路线在环境和经济上也具有显著优势。由于其在较低温度下运行并避免使用强酸，它仅消耗主流回收方法的一小部分能量，并产生更少的温室气体排放和有害废物。几乎全部正极材料可以直接重复使用，而非被分解后重建。研究得出结论：对富镍正极如NMC622进行优化的直接回收，可以无缝接入未来的电池生产体系，减少对新矿山的需求，助力电动汽车真正成为循环、低影响的能源系统的一部分。

引用: Castro, J., Gómez, M., Acebes, P.J. et al. Direct recycling of end-of-life lithium-ion batteries cathode active materials by hydrothermal route. Sci Rep 16, 11594 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41973-7

关键词: 锂离子电池回收, 正极再生, 水热回锂, 电动汽车电池, 循环经济