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吴明铂教授、顾鑫副教授，Nature Communications：激光诱导高温热冲击实现废旧锂离子电池正极材料的高效回收

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2025-08-07

导读：吴明铂教授、顾鑫副教授，Nature Communications：激光诱导高温热冲击实现废旧锂离子电池正极材料的高效回收

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文章信息

激光诱导高温热冲击实现废旧锂离子电池正极材料的高效回收

第一作者：曹宁

通讯作者：顾鑫*，吴明铂*

单位：中国石油大学(华东)，青岛科技大学

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研究背景

锂离子电池（LIBs）被认为是电化学储能领域的领先技术，广泛应用于消费电子产品和电动汽车（EV）等领域。随着LIBs商业化规模的不断扩大，废旧LIBs的数量也显著增加。然而，废旧LIBs具有环境风险和资源价值的双重属性，因此，回收这些金属资源对于可持续资源管理和环境保护至关重要。

火法冶金和湿法冶金是目前主要的回收方法，但这两种方法通常依赖于高温熔炼或强酸/碱。总体而言，这两种方法都是能源密集型、环境不友好且耗时的。因此，为实现战略金属资源的可持续循环利用，需要开发快速、高效、环境友好且成本可控的回收策略。

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文章简介

近日，青岛科技大学/中国石油大学（华东）的吴明铂教授与中国石油大学（华东）的顾鑫副教授在国际知名期刊Nature Communications上发表题为“Efficient recycling of spent Li-ion battery cathodes by laser-induced high-temperature thermal shock”的文章。该文章介绍了一种激光诱导高温热冲击策略用于回收废旧LIBs。通过激光策略实现了正极活性物质与集流体铝箔的快速分离，避免了预处理过程。同时，激光诱导高温热冲击效应促进了难熔金属氧化物的还原和杂质层的分解，增加了比表面积，进而改善了后续金属浸出过程的热力学和动力学，从而提高金属浸出效率。

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本文要点

要点一：S-NCM中金属浸出的限制

S-NCM中含有丰富的金属资源。然而，当使用0.1 M HCl溶液浸出时，金属的浸出效率较低。结构表征以及热力学计算表明，S-NCM中金属浸出效率较低可归因于受限的热力学和缓慢的浸出动力学。

图1 (a) S-NCM中Li、Mn、Ni和Co的质量含量。(b) 使用0.1 M HCl时，S-NCM中Li、Mn、Ni和Co的浸出效率。(c) 稀盐酸中不同价态的金属氧化物和金属单质的吉布斯自由能变化。横坐标代表金属价态。(d-f) S-NCM中Ni 2p、Co 2p和Mn 2p的XPS光谱。(g) S-NCM的TEM图。(h) S-NCM的SEM图。(i) S-NCM的C 1s XPS光谱。

要点二：金属浸出过程中浸出热力学和动力学的改善

通过激光诱导高温热冲击策略，只需几秒钟即可将活性材料与集流体铝箔快速分离，避免了预处理过程。同时，激光诱导高温热冲击效应破坏了正极材料稳定的八面体结构，将高价金属转化为更容易浸出的低价态，显著增强了金属浸出热力学。此外，激光策略去除了废旧正极材料表面的杂质层，并增加了材料的比表面积，从而改善了浸出动力学。

图2 (a) 激光辐照示意图。(b-c) 不同激光扫描速度（5、10、15、20、30%）和不同激光功率（20、30、35、45、55%）处理后的XRD图。(d) L-45的HR-TEM图。(e) L-45的SAED图。S-NCM、L-20、L-35和L-45的 (f) FTIR和 (g) Raman光谱。

图3 (a) 激光处理提高金属浸出效率的示意图。(b) 不同浸出试剂对废旧正极材料中金属浸出效率的比较。(c) 使用0.1 M HCl时，S-NCM、L-30和L-45中Li、Co、Ni和Mn的浸出效率，。(d) 使用 0.5 M HCl时，L-30和L-45中Li、Co、Ni和Mn的浸出效率。(e) S-NCM、L-20、L-35和L-45中Mn 2p、Co 2p和Ni 2p的XPS光谱。L-45的 (f) SEM和 (g) HR-TEM图。(h) S-NCM、L-20、L-35和L-45的氮气吸附和解吸曲线。

要点三：氧空位对金属浸出效率的影响

激光诱导的快速加热和冷却特性会破坏金属氧化物的热力学稳定取向，从而产生氧空位。DFT计算表明，氧空位的存在能够调节材料的电子结构和表面性质，进一步提高金属浸出效率。当使用0.1 M HCl浸出时，与未处理材料相比，Li、Co、Ni和Mn的浸出效率分别提高了22.2%、147.5%、125.6%和140.0%。即使使用0.5 M HCl，废旧正极材料中超过97%的金属也能被高效回收。

图4 S-NCM、L-20、L-35和L-45的 (a) EPR光谱和 (b) O 1s XPS光谱。(c) Mn K-edge X射线吸收近边光谱及Mn箔、MnO、Mn₂O₃和L-45区域的放大图。L-45的(d) EXAFS谱图，(e) R空间的EXAFS拟合曲线，(f) WT图。(g) MnO和MnOᵥ中Mn的Bader电荷分布。(h) MnO和MnO的差分电荷密度。其中红色和蓝色区域分别代表电荷损耗和电荷累积。(i) MnO和MnO中O和H的PDOS。

要点四：经济和环境分析

激光处理实现了正极活性物质与铝箔的直接分离，无需额外的破碎和分离步骤。这一创新策略优化了回收过程并最大限度地减少了对环境的影响，符合废物管理和资源回收的可持续发展目标。同时，生命周期评估（LCA）和技术经济分析（TEA）表明，激光策略有效降低了能耗和温室气体排放，每公斤原料的利润达到$ 4.30，具有显著的经济和环境效益。

图5 (a) 火法、湿法和激光策略的流程图。火法、湿法和激光策略回收1 kg废锂离子电池原料的 (b) 成本，(c) 收入，(d) 利润，(e) 能耗，(f) 耗水量，(g) 温室气体排放量。(h) 三种回收技术的综合比较。

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文章链接

Efficient recycling of spent Li-ion battery cathodes by laser-induced high-temperature thermal shock

https://doi.org/10.1038/s41467-025-62434-1

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通讯作者简介

顾鑫副教授简介： 中国石油大学（华东）副教授，博士生导师。主要从事二次电池中电极材料/电解质的设计、制备与应用基础研究。主持国家自然科学基金面上项目、山东省重点研发计划、山东省自然科学基金面上项目等多项科研项目。以第一/通讯作者在Nat. Commun., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater.(3), Energy Storage Mater.(2), J. Energy Chem.(2), J. Mater. Chem. A(5), ACS Appl. Mater. Interfaces(3), Carbon(3), NanoRes., Sci.China Mater., J. Power Sources, 科学通报等期刊上发表论文30余篇。以第一发明人授权中国发明专利7项。担任《中国石油大学学报（自然科学版）》期刊青年编委。

吴明铂教授简介：中国石油大学（华东）教授，博士生导师，青岛科技大学副校长。中组部“万人计划”科技创新领军人才，科技部中青年科技创新领军人才，山东省泰山学者特聘教授，全国石油和化工行业重质油碳质化高附加值利用重点实验室主任。主要从事重质油高附加值利用和新型碳材料研发，主持省部级以上科研项目30余项，在重质油基碳材料的构筑和功能化方面形成鲜明的特色，拥有系列具有自主知识产权的核心技术方法，获授权国家专利50余项，省部级科技奖励10项。出版学术专著2部，已在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., ACS Nano等国际知名刊物发表SCI论文200余篇。研究成果已应用于水质净化/污水处理、储能等领域，创造了显著的社会经济效益。