科研
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清华新闻网1月6日电（通讯员 王腾）废旧锂离子电池和塑料废弃物的高效、低碳回收是实现新能源产业可持续发展的关键挑战。近日，清华大学环境学院邓兵助理教授课题组提出了一种基于闪速焦耳加热的电热氯化协同回收新方法，可在数十秒内实现废旧锂离子电池中锂和过渡金属的高选择性分离回收，展示了该方法对不同类型锂电池回收的通用性，并同步实现了将聚氯乙烯（PVC）塑料中的碳资源高值化转化为石墨烯碳材料。
随着电动汽车和便携式电子产品的快速普及，锂离子电池已成为支撑能源转型的核心技术之一。然而，大规模退役电池的出现也带来了严峻的环境与资源挑战。废旧锂离子电池中富含锂、钴、镍、锰等重要金属，这些金属不仅资源禀赋高度集中，而且传统开采过程伴随显著的能源消耗和环境负担。同时，电池回收过程中往往伴随着大量塑料废弃物的产生，其中，PVC塑料因含氯特性，在热处理过程中易产生腐蚀性和潜在有害副产物，长期以来被视为难以处理的废塑料类型。当前主流的电池回收技术主要包括火法冶金、湿法冶金方法。火法冶金工艺流程简单但能耗和碳排放高，且锂等轻元素易损失；湿法冶金虽具有较高回收率，但依赖大量酸碱试剂，流程复杂且会产生二次废水。与此同时，塑料在多数电池回收体系中仅作为燃料或还原剂被消耗，其碳资源价值并未得到充分利用。
针对上述问题，邓兵课题组提出了一种电热氯化（Electrothermal Chlorination）协同回收策略，将废旧锂离子电池正极材料与PVC塑料在同一电热反应体系中处理，实现了多种废弃物的协同转化与资源高值化利用。该方法基于闪速焦耳加热技术，通过脉冲电流在极短时间内将反应体系加热至400℃-2000℃，并实现快速冷却，从而在热力学和动力学层面精确调控氯化反应过程。根据电热氯化协同回收过程的整体原理和反应路径，PVC塑料在电热条件下迅速裂解，释放出HCl等氯源和活性还原性气体，使锂离子电池正极材料中的锂选择性氯化为水溶性的氯化锂，而钴、镍、锰等过渡金属则被还原为金属态或氧化物形式。得益于不同金属氯化反应热力学和产物溶解性的差异，研究团队实现了锂与过渡金属的高效分离与选择性回收：锂可通过简单水浸提取，而过渡金属可在温和酸浸条件下回收。
图1.基于电热氯化的废旧锂离子电池和PVC塑料协同回收
在实验验证中，研究团队系统考察了LiCoO₂、LiMn₂O₄以及LiNixCoyMn1−x−yO₂等多种主流正极材料体系。结果表明，该方法对不同电池化学体系均具有良好的适用性。锂和过渡金属的回收率普遍达到94%-99%，锂-过渡金属分离系数最高可达~2600，显示出极高的选择性和稳定性。此外，该电热氯化过程在回收金属的同时，还实现了PVC塑料碳资源的高值化转化。在高温电热环境和过渡金属的催化作用下，PVC塑料中的sp³碳结构被重排为高度有序的sp²碳结构，生成具有片层结构的石墨烯材料。结构表征表明，该石墨烯材料具有良好的结晶度和性能，为塑料废弃物提供了一条“由废变材”的新路径。
图2. 电热氯化实现锂和过渡金属的选择性分离回收
研究还通过系统的技术经济分析和生命周期评价，对电热氯化协同回收方法的工程应用潜力进行了评估。结果显示，与传统湿法和火法回收工艺相比，电热氯化协同回收方法的碳排放有望降低80%以上，同时由于酸碱等化学品消耗的减少，运行成本显著降低。此外，研究团队已在实验室尺度实现了反应器的放大验证，并构建了公斤级闪速焦耳加热反应装置，为后续中试和工程化应用奠定了基础。该研究为废旧锂离子电池与含氯塑料的协同处理提供了一种新的技术范式，也为多源固体废物的低碳、高值循环利用提供了新思路。
研究成果以“废旧锂离子电池和聚氯乙烯塑料协同回收”（Co-recycling of waste lithium-ion batteries and polyvinyl chloride plastics）为题，于北京时间1月1日发表于《细胞报道·物质科学》（Cell Reports Physical Science）。
清华大学环境学院助理教授邓兵为论文通讯作者，探微书院2022级本科生王腾为论文第一作者。论文共同作者包括环境学院2025级博士生冯尔康、任振宇、曾韵璇，2023级博士生徐明月，科研助理黄子玉，2024级硕士生毕皓以及秀钟书院2023级本科生黄淳。研究得到清华大学-丰田联合研究院基金专项、北京市自然科学基金、国家自然科学基金等的支持。
本文链接：http://knowith.com/news-3-4848.html环境学院邓兵课题组提出废旧锂离子电池和聚氯乙烯塑料协同回收的电热氯化新方法
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