锂离子电池：生前赢得身后名

摘要：据估测，2020年，我国废弃锂离子电池将达到250亿只，重量约为50万吨。在我国，磷酸铁锂离子电池占据市场份额较大，2015年市场份额为69%。

（来源：微信公众号“中科院之声” 作者：徐垒 付明来）

一、锂离子电池应用方兴未艾

锂离子电池是指锂离子电池，由锂离子在正负极材料之间嵌入-脱出实现充放电工作。其应用场景十分广泛，小到无线蓝牙耳机、智能手表手环、手机、笔记本电脑，大到电动汽车、太阳能等新能源发电系统的储能设备。

瑞典皇家科学院将2019年诺贝尔化学奖授予约翰·B·古迪纳夫（John B. Goodenough）、M·斯坦利·威廷汉（M. Stanley Whittingham ）、吉野彰（Akira Yoshino），以表彰他们在锂离子电池发展方面的贡献。瑞典皇家科学院评价道，他们的研究为建立无线、无化石燃料的社会创造了合适的条件，为人类社会带来了福祉。

由于正极材料种类的不同，锂离子电池一般分为钴酸锂离子电池、锰酸锂离子电池、三元锂离子电池和磷酸铁锂离子电池。根据国家统计局的数据，我国2011年至2018年各种锂离子电池累计完成量达到约580亿只。由于充放电次数的新增，锂离子电池会容量衰减终将报废。据估测，2020年，我国废弃锂离子电池将达到250亿只，重量约为50万吨。在我国，磷酸铁锂离子电池占据市场份额较大，2015年市场份额为69%。据悉，特斯拉（TESLA）近期或将自主研发“无钴”新电池，安全性高的磷酸铁锂离子电池应该会成为首选。

图3 四种锂离子电池的比较（来源：中科院城市环境研究所付明来组）

图4 我国电动汽车产销量和锂离子电池产量（来源：中科院城市环境研究所付明来组）

2019年我国多地推行生活垃圾分类，不同省市对干电池等普通电池的分类稍有不同，但基本都把废旧锂离子电池分类为有害垃圾。以下列举了部分城市对锂离子电池的分类要求：

上海：根据《上海市生活垃圾全程分类指导手册》要求，生活中用完的钮扣电池、可充电电池、锂离子电池等都要作为有害垃圾单独投放。

北京：现在生产的1号、5号、7号等干电池是低汞或者无汞电池，不属于有害垃圾；但纽扣电池、电子产品用的锂离子电池、电动汽车电瓶等蓄电池和镍镉充电电池仍需作为“有害垃圾”进行回收。

广州：废充电电池、废扣式电池、废镍镉电池、氧化汞电池属于有害垃圾。

深圳：充电式电池、干电池、纽扣电池均属于有害垃圾，另外破损电池应用透明袋封装后投入到有害垃圾废电池收集容器中。

天津：废电池（镉镍电池、氧化汞电池、蓄电池等）属于有害垃圾。

二、传统回收方法有局限

大量的废旧锂离子电池存在环境污染的潜在风险，但也可以缓解战略金属如钴、锂等的快速消耗。锂离子电池中大量的有价金属锂、镍、钴等的回收引起了广泛关注，已发展了多种技术来提高金属回收率，降低固体废物的管理风险。

传统的回收技术分为三类：火法冶金、湿法冶金以及生物法冶金。火法冶金技术一般是通过高温处理废旧电池或者电池正极片，正极中的粘结剂、石墨化碳等高温下能够去除，后续要联合其他方法对残留物进行处理，回收其中的金属。但由于火法冶金高能耗、尾气粉尘多，湿法冶金回收锂离子电池金属更具优势。湿法冶金是利用酸、碱溶液或其他溶液来溶解废旧锂离子电池中的金属，再通过沉淀、萃取等方法将其分离和回收。湿法冶金技术的废酸碱副产物可能会出现环境污染风险。生物法利用微生物与废弃物表面之间的相互用途溶解金属，条件温和，环境友好，但是菌株筛选驯化、长期培养也限制了生物法技术在处理废旧锂离子电池领域的推广。

三、“以废治废”助力锂离子电池回收再利用

针对我国磷酸铁锂离子电池市场份额较大的特点，中科院城市环境研究所环境功能材料研究组开发了水热处理磷酸铁锂离子电池正极片制备羟基磷酸铁的方法来回收处理废旧磷酸铁锂离子电池。磷酸铁锂离子电池充分放电后拆解可得含有磷酸铁锂材料的正极片，经过180°C水热处理5小时，正极材料与铝箔可以有效地剥离分开。其中重要低值成分转化成羟基磷酸铁（FPOH），该功能材料可用于吸附水体中的重金属铅离子和高效催化双氧水降解有机污染物，如染料亚甲基蓝。

研究发现：FPOH对铅离子的最大吸附量为43.203mg/g，最终生成了稳定的沉淀产物羟基磷酸铅。通过淬灭实验推测：FPOH催化双氧水降解有机染料的机理为芬顿反应生成的羟基自由基参与了降解反应。该研究为我国锂离子电池占比高的磷酸铁锂离子电池废弃物的回收利用供应了一种“以废治废”的方法。

图6 废旧磷酸铁锂离子电池制备羟基磷酸铁用于吸附重金属铅和芬顿催化降解亚甲基蓝（来源：Environmental Technology & Innovation 2019, 16, 100504）

原标题:锂离子电池：生前赢得身后名