中国科大团队研发电化学技术 同步回收锂电池和捕获工业尾气污染物

近日，中国科学技术大学化学与材料科学学院的研究团队在电化学回收技术领域取得了重大进展，首次提出了一种基于电化学原理的绿色可持续废弃物管理策略。这项技术不仅能够有效回收废旧锂离子电池中的锂资源，还能够捕获和转化工业生产中产生的氮氧化物污染物。该研究成果已于1月27日正式发表在国际知名期刊《Nature Sustainability》上，引起了广泛关注。

创新原理与方法

该研究团队的核心创新在于巧妙设计了一种无能量消耗的电化学回收方法，利用了工业尾气中二氧化氮（NO2）的电化学还原电位与废旧锂电池正极材料的电化学氧化电位之间的差异。这一过程不仅成功回收了锂资源，还将二氧化氮转化为高附加值的硝酸锂盐，为污染治理提供了一种高效、环保且经济的解决方案。

具体锂离子会自发地从废旧锂电池的正极材料中释放到电解液中，同时来自尾气的二氧化氮被还原为亚硝酸根离子（NO2⁻）。这两个成分的结合形成了亚硝酸锂（LiNO2），该反应在电化学过程中能够产生约0.38伏的输出电压，这一电压足以驱动相应的系统运作或进行能量储存。随后，亚硝酸锂又可以在空气中氧气的作用下，进一步氧化为更稳定的硝酸锂（LiNO3）。

具体反应过程

研究中的电化学反应可以详细分解为以下几个步骤：

1. NO2捕获：NO2与电子反应生成NO2−，其标准还原电位约为0.88伏（相对于标准氢电极，RHE）。

2. 锂的回收：从锂铁磷酸盐（LiFePO4）中脱出锂离子，同时释放出电子，标准氧化电位为0.5伏（RHE）。

3. 整体反应：LiFePO4与NO2反应生成LiNO2与FePO4。

4. 硝酸锂的产生：在氧气的催化作用下，亚硝酸锂进一步氧化生成硝酸锂，反应方程式为2LiNO2+O2→2LiNO3。

通过以上一系列反应，团队不仅成功回收了锂资源，还实现了氮氧化物污染物的资源化利用，确保了整体过程的可持续性。

优势与前景

与传统的锂电池回收及尾气治理技术相比，该电化学回收方法展现了显著的优势：

减少能量消耗：该技术通过自主反应，无需外部能源输入，从而大大减少了碳排放。

同步处理能力：一站式解决了锂电池的废弃问题与工业尾气的污染问题，提升了资源利用效率。

经济价值：作为反应产物的硝酸锂，其经济价值较传统回收的碳酸锂提高了30%以上，为相关行业提供了更具市场潜力的原料。

研究团队的成本测算结果显示，该工艺的全生命周期成本仅为传统火法冶金技术的五分之一，金属的回收率更是超过98%。这一点增强了该技术在实际应用中的竞争力。

后续研究方向

中国科大团队在锂电池回收领域已经取得了多项技术突破，包括带电破碎和低温挥发等方面的创新。未来，研究团队将继续优化电化学反应器的设计，以提高整体反应效率。同时，他们还计划探索钴、镍等贵金属的同步回收方案，以期实现更多废弃物的高效利用，助力实现工业发展与生态环境保护的双赢局面。

通过这项研究，中国科学技术大学展示了电化学技术在废物管理领域的潜力，提示了在应对资源短缺和环境污染问题中，科研创新所能发挥的重要作用。随着全球对可持续发展的重视，类似的绿色技术将可能为未来的工业革命提供新的动力，为各国的环境保护和资源利用开辟出更加广阔的前景。

附上论文地址供读者深入了解研究细节：[Nature Sustainability](https://www.nature/articles/s41893-024-01505-5)。