2023年，美国莱斯大学James M. Tour教授和Boris I. Yakobson教授等人在《Science Advances》上发表了题为“Battery metal recycling by flash Joule heating”的论文，报道了一种利用闪蒸焦耳加热（FJH）技术来处理废旧锂离子电池（LIBs）的方法。

【总结】

（1）闪蒸焦耳加热技术（FJH）的应用：报道了一种利用闪蒸焦耳加热（FJH）技术来处理废旧锂离子电池（LIBs）的方法。该方法通过脉冲直流电使混合电极材料在数秒内加热到超过2100 K，从而显著提高后续浸出的动力学效率。这种技术能有效地热解难溶的固态电解质界面（SEI）和其他杂质。

（2）高效回收率：该方法实现了对所有电池金属的高回收率，无论其化学成分如何。使用稀释的酸（如0.01 M HCl）进行浸出，显著减少了二次废物流的产生。文中提到，通过该技术，电池金属的回收率达到98%左右。

（3）环境友好性：与现有的回收方法相比，FJH技术显著降低了废旧LIBs处理的环境足迹。生命周期分析表明，FJH技术在减少能源、水、酸的消耗以及温室气体排放方面具有明显优势。

（4）经济可行性：FJH技术不仅在环境方面表现出色，还具有经济上的吸引力。该方法的电能消耗仅为约234 kWh/吨，成本约为9.4美元/吨。

（5）快速且可控的加热过程：FJH技术具备超快速、高温加热的特点，并且能够实现对加热和冷却速率的精确控制（>10^4 K/s）。这种快速的热处理过程有助于避免挥发性金属的扩散损失。

（6）适应性广泛：对不同类型的混合电极材料进行了测试，结果表明FJH技术对具有不同阴极成分、结构和健康状态的混合电极材料具有良好的适应性，证明了该技术的普遍适用性和可扩展性。

（7）结构变化与表面积增加：FJH激活后的混合电极材料表面积增加了约115%，并且出现了丰富的纳米孔结构。这种结构变化有助于提高浸出效率。

图1. 通过FJH活化提高了不同黑色物质中电池金属的回收率

【研究背景】

（1）随着锂离子电池的广泛使用，废旧电池的数量迅速增加。这些废旧电池的累积不仅占用了大量空间，还可能对环境造成严重污染。

（2）锂、钴、镍和锰等电池金属是生产锂离子电池阴极材料的重要原料。然而，当前的自然资源开采方法资源密集且污染严重，无法长期持续。预计到2030年，世界上的钴储量将耗尽，镍的储量也将在2050年之前耗尽。

（3）目前的回收方法主要包括火法冶金、湿法冶金、生物冶金和电化学提取等。火法冶金需要高温熔炼，能耗高且过程复杂；湿法冶金尽管回收率高，但需要大量的浓酸，产生二次废物；生物冶金虽环保，但处理周期长，不适合大规模应用；电化学提取虽然快速，但仅对特定金属有效，难以广泛应用。

（4）现有技术在高效性、经济性和环境友好性方面存在不足。因此，迫切需要一种能够高效提取所有电池金属且环境足迹小的新技术。

（5）近期研究表明，超快速、可控且高效的电加热技术可以用于材料合成和处理，如碳热震动法和闪蒸焦耳加热（FJH）法。FJH技术已被用于合成高熵合金和石墨烯，显示出其在选择性、稳定性和效率方面的优势。

【研究方法】

（1）材料准备：从废旧锂离子电池中收集并制备混合电极材料，包括混合的阴极和阳极材料。这些混合电极材料通过研磨混合均匀，分为七种不同类型（BM-1至BM-7）用于实验。

（2）闪蒸焦耳加热（FJH）处理：将混合电极材料装入石英管中，石英管两端通过石墨电极连接，以控制样品的电阻。通过电容器组提供电能，使样品在数秒内快速加热到超过2100 K。典型的FJH处理条件为放电电压80 V，持续时间0.11秒，样品电阻1.5欧姆，峰值电流约为104 A。实时温度记录显示加热和冷却速率分别为5.3×10^4 K/s和1.1×10^4 K/s。

（3）酸浸出测试：使用不同浓度的盐酸（0.01 M至12.0 M）进行酸浸出实验，测量锂、钴、镍、锰和铁等电池金属的回收率。对混合电极材料和FJH处理后的混合电极材料进行浸出比较，评估回收率和浸出动力学。

（4）显微结构和成分分析：使用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、高分辨透射电子显微镜（HR-TEM）和高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）观察样品的显微结构和元素分布。通过X射线光电子能谱（XPS）分析样品的表面成分和氧化态变化。通过X射线衍射（XRD）分析样品的晶体结构和组成变化。

（5）气体产物分析：通过气相色谱-质谱（GC-MS）分析FJH处理过程中产生的气体产物，确定分解产物的种类和含量。

（6）电化学性能测试：制备电极材料，将重合成的LiCoO₂阴极材料与聚偏二氟乙烯（PVDF）和炭黑按质量比8:1:1混合，涂覆在碳涂层铝箔上，组装成2032型扣式电池，测试其电化学性能。电池在3.0至4.3 V范围内进行充放电测试，初始循环速率为0.1 C，随后在0.2 C下进行循环稳定性测试。

（7）经济和环境分析：使用GREET 2020和EverBatt 2020软件进行生命周期分析（LCA），比较FJH方法与现有湿法冶金和火法冶金方法在能耗、温室气体排放、水和酸消耗以及经济成本方面的差异。

【研究结果】

（1）高效回收率：通过闪蒸焦耳加热（FJH）处理后，混合电极材料的酸浸出效率显著提高。使用1.0 M HCl溶液浸出时，锂和过渡金属（如钴、镍、锰）的回收率达到98%左右。相比未处理的混合电极材料，锂和过渡金属的回收率分别提高了161%和309%。

（2）快速浸出动力学：FJH处理显著提升了酸浸出的动力学速率。与未处理的混合电极材料相比，FJH处理后的混合电极材料在酸溶液中的浸出速率提高了100至1000倍。尤其是过渡金属的浸出效率大幅提升，主要归因于钴离子在浸出液中的增加。

（3）表面积和结构变化：FJH处理后的混合电极材料表面积从~3.3 m²/g增加到~7.1 m²/g，增加了约115%。同时，纳米孔的数量也显著增加。这些结构变化促进了混合电极材料与酸溶液的直接接触，提高了浸出效率。

（4）减少环境影响：通过生命周期分析（LCA），与现有的湿法冶金和火法冶金方法相比，FJH处理显著减少了环境足迹。FJH方法减少了约87%的浓盐酸消耗，26%的水消耗，15%的能源消耗，以及23%的温室气体排放。

（5）经济可行性：FJH处理方法在经济上也具有明显优势。与湿法冶金方法相比，处理1公斤废旧电池的成本降低了约49%；与火法冶金方法相比，成本降低了约28%。

（6）适应性广泛：FJH技术对不同类型的混合电极材料（包括不同的阴极化学成分、结构和健康状态）都表现出了良好的适应性。无论是使用过的商业锂电池，还是模拟的混合电极材料，FJH处理都能显著提高浸出效率。

（7）稳定的产物性能：通过FJH处理后的混合电极材料制备的重合成LiCoO₂阴极材料表现出良好的电化学性能。初始循环中的比容量约为150 mAh/g，并且具有良好的循环稳定性。

（8）安全性和可扩展性：FJH处理后的混合电极材料在常温下具有良好的稳定性，即使在空气中放置两周后，其重量变化也仅为~2.3%。FJH处理技术可扩展到克级甚至公斤级实验，通过变频驱动（VFD）控制电热反应，实现大规模生产的可能性。

【展望】

根据研究内容和结果，可以推测一些可能的后续研究方向：

（1）扩大规模研究：当前研究主要在实验室规模进行，后续研究可以探索如何将闪蒸焦耳加热（FJH）技术应用于工业规模的电池回收处理。需要开发大规模的FJH设备和工艺，以验证其在实际生产环境中的可行性和稳定性。

（2）优化反应条件：虽然本研究已探讨了不同电压和持续时间对FJH处理效果的影响，但未来研究可以进一步优化这些参数，以提高金属回收率和能效。例如，可以研究不同的电极材料和压缩方法对加热均匀性的影响。

（3）材料再利用研究：研究如何高效地将FJH处理后的产物再利用，例如将回收的金属和碳材料重新制备成电池电极材料。探索优化重合成过程的方法，确保再生材料具有与原生材料相当或更优的性能。

（4）环境影响评估：进一步详细评估FJH技术在不同应用场景下的环境影响，包括对水资源、空气质量和土壤的潜在影响。开发更加全面的生命周期分析（LCA）模型，量化FJH技术的环境足迹。

（5）经济可行性分析：进一步详细分析FJH技术在不同市场条件下的经济可行性，包括成本效益分析和市场需求预测。探索如何通过技术改进和规模效应降低成本，提高市场竞争力。

（6）安全性研究：研究FJH技术在大规模应用中的安全性问题，包括设备运行的安全性和操作人员的安全防护措施。制定详细的安全操作规范和应急预案，确保技术推广应用的安全性。

（7）不同类型电池的适应性：进一步研究FJH技术对不同类型废旧电池的适应性，例如不同型号的锂离子电池、电动汽车电池和其他类型的二次电池。验证技术在多种电池类型上的通用性和有效性。

（8）新型电池材料的处理：随着电池技术的发展，研究FJH技术对新型电池材料（如固态电池、钠离子电池等）的回收效果。确保技术在未来电池技术更新迭代中仍具有应用潜力。

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https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.adh5131