研究背景

電動汽車作為一種低碳技術，正在全球范圍內迅速發展，以滿足全球對低碳社會的需求。在未來幾十年，電動汽車使用的鋰離子電池（LIBs）將逐步淘汰。從廢舊鋰電池中回收高價值金屬，如鋰、鈷和鎳，可以使有價值的材料重新用于電池生產，并降低其環境風險。

研究人員在回收廢舊電池中的貴重金屬和發展電池閉環回收系統方面作出了廣泛的努力。從降解的正極材料中回收金屬的回收工藝包括火法冶金和濕法冶金。火法冶金回收工藝需要高溫（>1000℃）將正極材料轉化為合金，因其生產率高而被企業廣泛采用。然而，高能源消耗和有毒氣體排放引起了人們對經濟收益和環境保護的擔憂。另一方面，濕法冶金回收工藝采用酸性試劑（包括硝酸、鹽酸、硫酸）從正極材料中浸出金屬，適用于所有電池化學成分，能耗低，金屬浸出效率高，具有工業潛力。令人遺憾的是，強酸試劑通常會釋放有害氣體，對環境造成嚴重危害。因此，高效和生態友好的廢LIBs回收過程的創新至關重要。為了減少回收過程中的污染，人們研究了深共晶溶劑（DESs）作為替代浸出劑。在室溫下呈液態的有機鹽被稱為室溫離子液體（ILs）。它們具有可忽略不計的蒸汽壓，高熱穩定性和廣泛的合成柔韌性。特別是，它提供了一個完全由離子組成的反應環境，并對無機材料表現出優異的溶解性能。

文章亮點

在本研究中，作者展示了一個綠色和可回收的過程，使用離子液體，1-(2,3-二羥丙基)-3-甲基咪唑氯(咪唑乙二醇)。這種IL誘導了LIB正極上過渡金屬離子的還原和溶解。對于鋰鈷氧化物正極，我們證明了鋰的浸出效率為100%，鈷的浸出效率為99.62%。X射線衍射和熱重質譜表明，咪唑乙二醇優先溶解鋰，并誘導晶格氧化陰離子(O2-)將不溶性的高價Co(III)還原為可溶的Co(II)配合物。該工藝避免了有害氣體的排放，并且易于回收，具有經濟和環境的雙重優勢。該工藝提供了環境友好和可持續的鋰離子正極回收，并為工業規模的回收提供了合適的途徑。

圖文解讀

圖1.咪唑乙二醇浸出法回收鋰電池。

（a）咪唑乙二醇浸出法回收鋰電池。（b）咪唑二醇基廢舊電池綠色回收工藝示意圖。將廢電池拆解，正極分散在咪唑乙二醇中。LCO可以溶解在咪唑乙二醇中，而其他組分（碳、PVDF和鋁箔）通過過濾分離。采用共沉淀法回收了咪唑乙二醇中的金屬離子，并回收了咪唑乙二醇。

圖2.咪唑乙二醇浸出金屬。

（a）純咪唑乙二醇與LCO混合和咪唑乙二醇的紅外光譜。（b）去鋰化前后咪唑乙二醇與LCO的結合能。（c）去鋰化前后咪唑-乙二醇-LCO體系的吉布斯自由能。（d）LCO在不同溫度下溶解后的咪唑乙二醇變色照片。120℃下不同浸出時間下LCO中（e）Li、Co和NCM622中（f）Li、Co、Ni、Mn的浸出效率。

圖3.浸出過程機理分析。

（a）100℃空氣氣氛下LCO正極浸出過程的XRD譜圖（*儀器背景峰）。（b）(003)峰演化圖和（c）(101)峰演化圖。（d）原始對照LCO粉末，（e）浸出后LCO的STEM-HAADF圖像。（f）LCO的結構演變。（g）He氣氛下120℃下咪唑乙二醇-LCO浸出過程的TGA-MS結果等高線圖。（h）不同質荷比的時間-濃度曲線圖。

圖4.過濾后咪唑乙二醇滲濾液的結構分析。

（a）純咪唑乙二醇和咪唑乙二醇浸出液的1H NMR譜和（b）13C NMR譜。（c）純咪唑乙二醇和咪唑乙二醇滲濾液的紫外光譜。（d）純咪唑乙二醇和咪唑乙二醇滲濾液的拉曼光譜。（e）120℃下Li, Co的化學反應控制模型圖。（f）120℃下Li, Co殘留層擴散控制模型圖。

圖5.金屬離子與咪唑乙二醇的回收與表征。

（a）從廢LIBs中分離和浸出金屬。（b）Co2O4·2H2O和煅燒后Co3O4、（c）Ni1/3Co1/3Mn1/3C2O4·2H2O和(Ni1/3Co1/3Mn1/3)3O4、（d）Li2CO3的XRD譜圖。（e）鋰和鈷在120°C下20小時的初始和1,3,5次循環后的浸出效率。（f）回收的咪唑乙二醇浸出后的1H NMR譜圖顯示化學成分和結構不變。（g）浸出性能與以往文獻比較的雷達圖。曲線面積越大，評價越高。

總結與展望

作者設計并合成了一種離子浸出劑咪唑乙二醇，并演示了一種高效的廢鋰電池正極回收工藝。該機理實驗表明，這種咪唑乙二醇誘導氧陰離子還原高價過渡金屬離子，使還原劑的使用變得不必要。這種回收工藝對鋰、鈷、鎳和錳的浸出效率很高。在所有情況下，這種浸出都沒有產生任何有害氣體排放。此外，咪唑乙二醇很容易回收和再利用，為LIBs提供了一個可持續和環保的回收過程。

第一作者：Yin Hu

通訊作者：嚴鋒

文章鏈接：https://doi.org/10.1039/D4EE00331D