Effect of element composition of cathode on the carbothermic reduction of spent lithium-ion electrode materials
本研究表明，废旧富镍正极材料（NCM523、NCM811和NC101）的元素组成显著影响其碳热还原动力学和热力学稳定性，其中较高的镍和钴含量会导致更低的吉布斯自由能、降低反应复杂性，并在700°C时将锂浸出效率提高至91.31%。
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每天，数以百万计的人们依靠锂离子电池为他们的手机、笔记本电脑和电动汽车提供动力。这些设备是现代工程学的奇迹，但它们也有使用寿命。当电池不再保持电量时，它就变成了废弃物，但它同时也是一个装满锂、镍、钴等珍贵金属的宝库。回收这些材料对于清洁能源的未来至关重要，因为这减少了开采新矿藏的需求，并防止了有毒废物的堆积。一种极具前景的电池回收方法是利用碳进行加热，这一过程可以将复杂的电池材料分解成更简单的形式，从而通过水洗轻松提取出锂。然而，并非所有电池的构造都是相同的。电池正极（即正极）的化学成分在不同型号之间存在显著差异，科学家们长期以来一直想知道这些差异如何影响加热过程中的回收效率。
来自中国矿业大学和北辰先进回收技术的科研团队致力于深入了解电池正极中特定的金属混合比例是如何改变其在加热过程中的分解方式的。他们重点研究了废旧电池中常见的三种高镍正极类型：一种是镍、钴、锰比例均衡的混合物；一种是镍含量极高且锰含量极少的混合物；以及第三种几乎不含锰的混合物。通过将这些废旧正极材料与电池负极的石墨混合，并在受控环境中加热，研究人员能够观察反应发生时的化学变化过程。他们测量了样品的质量变化、吸收或释放的热量以及反应发生的速率。这使他们能够绘制出材料从固体电池部件转化为可回收金属和盐类的精确路径图。
研究表明，正极的成分起到了“主开关”的作用，控制着整个回收过程。研究人员发现，镍含量最高且几乎不含锰的材料分解过程最为直接且可预测。其反应遵循单一且稳定的路径，启动时需要适度的能量，并在整个过程中保持该能量水平。相比之下，具有更均衡金属混合比例的材料表现得像是一个复杂的、多阶段的过程。它需要更高的初始能量推动才能开始分解，并且随着反应的进行，其反应步骤会发生变化，变得难以预测。而锰含量最高的材料则是最顽固的；它在开始阶段表现出极强的抗性，需要消耗最多的能量来克服其稳定的结构，且其反应涉及一系列复杂的同步步骤，使其最难控制。
这些差异源于所涉及金属的本质属性。研究显示，镍和钴相对容易被还原，这意味着它们可以更容易地脱去氧原子并转化为更简单的形式。然而，锰的还原难度要大得多，它倾向于保持自身的结构，起到稳定剂的作用，使得整个电池材料更难被分解。当研究人员增加镍和钴的含量并去除锰时，回收电池所需的总能量下降，且过程变得更加顺畅。反之，当锰的含量较高时，它会增强电池的内部结构，迫使回收过程必须与这种稳定性对抗，从而减慢了反应速度并使反应路径变得更加复杂。
为了验证这些发现是否适用于实际应用场景，团队将加热后的材料用水清洗，以观察可以回收多少锂。他们发现，加热过程的温度至关重要。如果温度过低，电池材料无法充分分解以释放锂；如果温度过高，材料会开始结块，将锂困在其中。研究人员发现，对于这三种类型的电池，理想的“甜点位”（最佳温度）均为700摄氏度。在此温度下，研究人员能从每种材料中提取出最高含量的锂。结果因成分而异：无锰材料的锂产量最高，其次是高镍混合物，最后是均衡混合物。这证实了材料在化学上越容易分解，其锂的回收效率就越高。
最终，这项工作为如何处理不同类型的废旧电池提供了清晰的指南。它表明，虽然所有这些材料都可以进行回收，但成功的“配方”取决于其内部成分。锰含量较低的电池更容易处理且效果更好，而锰含量较高的电池则需要更精细的控制和更高的能量输入。通过了解这些具体的化学行为，工程师可以设计出更优秀的回收厂，根据所处理电池的具体类型来调整其加热和处理方法。这种精准的操作确保了旧电池中的珍贵资源能够得到高效回收，将废弃物重新转化为下一代清洁能源技术所需的原材料。
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