【研究背景】

新能源离子电池作为电子设备与可再生能源储能的核心器件，市场规模持续扩张，但有限的使用寿命导致废旧电池年累积量激增，带来资源浪费与环境污染双重压力。当前以锂离子电池（LIB）为主导的新能源电池在回收领域的核心痛点在于浸出液中Li+、Mn2+、Ni2+、Co2+等有价金属离子的分离回收面临精准度不足、回收率与产品纯度难以兼顾的问题。传统方法（如吸附、溶剂萃取、沉淀等）存在流程分散、试剂消耗大、能耗高、环保性差等局限，而现有膜技术多局限于单一体系应用，缺乏针对LIB回收的集成化解决方案，且未充分考量能源、经济与环境的协同可持续性。因此，亟需开发一种高效、精准、集成化的回收技术，破解上述难题，实现LIB资源的可持续循环利用。

图1. a) 全球锂离子电池产能区域分布（2024年）；b) 全球废锂离子电池产生量分布（2024年）。

【工作简介】

香港大学土木工程系环境工程汤初阳、赵严团队合作在本研究针对锂离子电池（LIB）回收中复杂浸出液有价金属离子（Li+、Mn2+、Ni2+、Co2+）高效精准回收的核心难题，提出一种可规模化的电膜结晶通用回收（e-MCGR）技术，其核心观点为：创新整合电化学与电膜技术，构建“选择性膜双级分离-双极膜原位结晶-膜金属络合异位结晶-膜金属萃取时序结晶” 四级模块化体系，依托离子尺寸排斥、静电作用、化学配位差异等机制，结合原位/异位/时序结晶策略，实现不同价态、不同类型金属离子的阶梯式精准分离，破解传统方法回收率与产品纯度难以兼顾的矛盾，同步完成金属离子分离与高纯度晶体产物（Li2CO3、Mn3O4、Ni(OH)2、Co(OH)2）制备，同时构建资源闭环循环系统，回收过程中生成的NaOH、HCl及络合/萃取剂可循环复用，实现CO2固定与零液体排放，兼顾能源效率、经济可行性与环境可持续性，为LIB回收提供兼具技术先进性与实际应用价值的解决方案。该文章发表在国际顶级期刊Nature Communications上。香港大学赵严、裘洋波、鲁汶大学夏蕾为论文共同第一作者，赵严、Bart Van der Bruggen、汤初阳为论文共同通讯作者。

图2. i) 使用选择性膜双级蒸馏技术分离一价阳离子（Li+和Na+）与二价阳离子（Mn2+、Ni2+和Co2+）。UF：超滤。RO：反渗透。SED：一价选择性电渗析；ii) 通过双极膜原位结晶技术从Na+中分离Li+，并实现高纯度Li2CO3的回收。MC：膜接触器。BMED-C：双极膜结晶；iii) 通过膜金属络合非原位结晶以及膜金属萃取时序结晶技术实现二价阳离子（即Mn2+、Ni2+和Co2+）的相互分离，其中首先通过金属络合非原位结晶构型将Mn2+与Ni2+和Co2+分离，得到高纯度Mn3O4；随后通过膜金属萃取时序结晶构型将Ni2+从Co2+中分离，分别生成高纯度Ni(OH)2和Co(OH)2。

【内容表述】

电膜可依托尺寸排斥、静电相互作用与化学亲和力机制，实现不同价态、不同理化性质金属离子的精准筛分，且模块化设计便于规模化拓展，其中单价选择性离子交换膜（CIMS）能针对性分离一价与二价阳离子，双极膜（BM）可原位生成H+和OH-为结晶提供酸碱环境，契合LIB浸出液多组分离子分离需求；结晶技术可实现金属离子从溶液态到高纯度固体产物的转化，结合电膜技术能同步完成"离子分离-产物制备”，避免分步操作的纯度损失与能耗增加，且针对不同金属离子特性选用原位（Li+）、异位（Mn2+）、时序（Ni2+、Co2+）结晶策略保障产物质量；络合剂 EDTA（基于配位常数差异分离Mn2+与Ni2+、Co2+）、萃取剂Cyanex 272（基于亲和差异分离Ni2+与Co2+）及超滤（UF）、反渗透（RO）膜（预处理优化分离条件）的选型均适配分离目标与工艺稳定性需求，而集成化设计则破解了单一技术难以应对复杂浸出液的局限，同时通过资源循环复用契合可持续回收核心诉求。

本研究通过“预处理-阶梯式分离-靶向结晶-性能验证”的系统流程展开以达成实验目的：先对废旧LIB浸出液进行超滤预处理去除有机杂质、反渗透浓缩提高金属离子浓度，再通过 “选择性膜双级分离”实现一价与二价阳离子初步分离，利用“双极膜原位结晶”完成Li+与Na+分离及Li2CO3制备，最后通过“膜金属络合异位结晶”与“膜金属萃取时序结晶”实现二价阳离子靶向回收，期间调控电流密度、络合剂/萃取剂配比等关键参数优化工艺，并以真实LIB浸出液验证技术实用性；各项表征均服务于核心目标验证：扫描电子显微镜（SEM）结合能量色散光谱（EDS）用于观察结晶产物形貌与元素分布，验证结晶工艺稳定性与产物均一性；X射线光电子能谱（XPS）分析产物化学组成与键合状态，定量检测杂质含量以证明产物纯度；X射线衍射（XRD）鉴定产物物相结构，确认目标产物种类并排除杂相，验证靶向结晶精准性；电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）实时定量监测金属离子浓度变化，计算渗透速率与回收率以评估分离及结晶效率；能耗与经济核算则量化系统能耗、成本及利润，结合CO2固定、零液排放等指标，说明技术的经济可行性与环境可持续性。

图3. a) 选择性电渗析系统示意图及基于尺寸排阻、静电排斥的分离机制；b) 分离过程中浸出液颜色演变；c) 第一级选择性电渗析（1.0 mA cm-2）下各腔室金属离子浓度变化；d) 第二级选择性电渗析下离子浓度变化；e) 双级蒸馏的累积回收率（Li+：96.5%，Na+：96.4%）与截留率（多价离子：100%）；f-g) 能耗与经济性分析。

图4. a) 双极膜原位结晶回收Li+及Li2CO3形成机制示意图；b) 系统操作原理与收集的Li2CO3粉末（白色）照片；c) Li2CO3晶体的SEM图像及C、O元素分布图；d) Li2CO3晶体的XPS全谱；e) Li2CO3晶体的XRD谱图；f) 优化电流密度（5 mA cm-2）下进料与回收腔室中Li+和Na+浓度的时序演变；g) 回收率与产品纯度；h) 系统的能耗、经济与环境效益分析。

图5. a) 用于顺序分离Mn2+、Ni2+和Co2+的后续膜金属络合异位结晶及膜金属萃取时序结晶配置示意图；b) EDTA络合与Cyanex 272萃取的分离机制；c) 回收产物（i）黑色Mn3O4，（ii）绿色Ni(OH)2，（iii）粉色Co(OH)2的照片；d) 产物的SEM图像与元素分布图；e) 产物的XPS全谱；f) 产物的XRD谱图；g) 络合结晶系统中各离子浓度时序演变；h) 萃取结晶系统中各离子浓度时序演变；i) 各产物的回收率与纯度；j) 系统的能耗、经济与环境效益分析。

图6. a) 实际废LIB浸出液照片；b) 第一级选择性电渗析分离结果；c) 第二级选择性电渗析分离结果；d) 双极膜原位结晶过程中离子浓度时序演变；e) Li2CO3回收率与纯度；f) Li2CO3的XPS谱图；g) Li2CO3的XRD谱图；h) 络合结晶系统离子浓度时序演变；i) 萃取结晶系统离子浓度时序演变；j) 各产物回收率与纯度；k) 各产物的XPS谱图；l-n) 各产物的XRD谱图。

【核心结论】

本文提出的电膜结晶辅助通用回收（e-MCGR）技术，通过选择性膜双级分离、双极膜原位结晶、膜金属络合异位结晶及膜金属萃取时序结晶的协同作用，实现了从锂离子电池浸出液中高效回收Li+、Mn2+、Ni2+、Co2+等有价金属离子。该技术对Li+、Mn2+、Ni2+、Co2+的回收率分别达95.5%、99.5%、83.1%、87.3%，产品纯度均高于92.5%，其中Li2CO3和Mn3O4纯度达99.9%。同时，系统具有显著的经济效益和环境效益，实现了资源循环利用与零液排放。e-MCGR技术为锂离子电池的可持续回收提供了创新且实用的解决方案，有望推动全球电池回收产业的技术升级，为能源安全、环境保护和循环经济发展提供重要支撑。

【原文链接】

https://www.nature.com/articles/s41467-025-67678-5

文章来源：能源学人

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