【研究背景】

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。

【工作简介】

近日，青岛科技大学/中国石油大学（华东）吴明铂教授、中国石油大学（华东）顾鑫副教授提出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。该文章以《Efficient recycling of spent Li-ion battery cathodes by laser-induced high-temperature thermal shock》为题发表在国际顶级期刊NatureCommunication上。中国石油大学（华东）曹宁博士为本文第一作者。

【内容表述】

通过激光诱导高温热冲击策略，可在数秒内将正极活性物质与铝箔快速分离。同时，激光瞬时的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，显著改善了后续金属浸出过程的热力学和动力学。此外，激光辐照引起的快速加热和冷却特性产生的氧空位，能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。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。

S-NCM中金属浸出的限制。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。

金属浸出过程中浸出热力学和动力学的改善。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。

金属浸出过程中浸出热力学和动力学的改善。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。

氧空位对金属浸出效率的影响。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MnO_v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。

经济和环境分析。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。

核心结论

本研究提出了一种利用激光诱导高温热冲击回收废旧锂离子电池正极材料的方法。通过直接辐照正极片，活性材料在几秒钟内从Al箔上快速分离，无需预处理。激光辐照破坏了正极材料的稳定结构，促进了高价态金属的还原，改善了金属浸出的热力学。此外，激光策略增加了材料的比表面积，去除了杂质，进而改善了浸出动力学。另一方面，氧空位的引入进一步改善了材料与HCl的吸附和电荷转移。当使用0.5 M HCl浸出时，金属的浸出效率>97%。即使使用0.1 M HCl，Co、Ni和Mn的浸出效率也有显著提升。激光策略不仅提高了浸出效率，还降低了能耗和温室气体排放，每公斤原料的利润达4.13 $，具有显著的经济效益。

【文献详情】

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

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

【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。