Daniel Tsang团队One Earth：利用低共熔溶剂回收锂电池的整体可持续性研究 | Cell Press对话科学家

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2023年10月，香港科技大学土木与环境学系Daniel C.W. Tsang教授团队在Cell Press细胞出版社期刊One Earth上发表了一篇题为“Integrated assessment of deep eutectic solvents questions solvometallurgy as a sustainable recycling approach for lithium-ion batteries”的最新论文。该研究构建并评估了基于湿法/火法/溶剂冶金的退役锂电池关键金属回收体系，分析了其技术、经济和环境影响。可为低共熔溶剂循环利用退役锂电池关键金属资源提供有益指导，降低环境负荷并改善资源回收效率。

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研究亮点

1. 本研究构建并评估了基于湿法/火法/溶剂冶金的退役锂电池关键金属回收体系，分析了其技术、经济和环境影响。

2. 低共熔溶剂（DES）主导的溶剂冶金体系在全球变暖潜力、臭氧消耗和经济投入方面均存在明显劣势。

3. 研究揭示了复杂的综合过程和化学品消耗是限制DES主导的溶剂冶金体系可持续性效力的主要因素。

综述简介

全球正大力推行以动力锂电池为核心供电系统的新能源汽车，以实现交通运输行业的碳减排目标。锂电池制造业对锂、镍、钴和锰的需求持续增长，引发了金属资源供应的紧张和市场价格的不断波动。实现对退役锂电池内关键金属的低碳闭路循环，有助于确保新能源汽车产业的可持续发展。溶剂冶金被认为是火法冶金和湿法冶金之外循环利用退役锂电池关键金属的潜在可持续选项，但当前尚缺乏综合性评估体系以验证其可持续性效力。我们构建了涵盖火法/湿法/溶剂冶金的退役锂电池关键金属循环再生体系，综合评估了各体系的技术、经济和环境影响，识别了限制溶剂冶金可持续性效力的关键因子。相比火法/湿法冶金，低共熔溶剂主导的冶金体系可导致3.1倍的碳足迹、5倍的臭氧消耗以及6.5~7.3倍的经济成本投入。上述不良表现源自低共熔溶剂内氢键供体/氢键受体对锂电池活性晶体的弱溶解能力及其不可回收性。采用低共熔溶剂来修复正极材料可能是提升溶剂冶金可持续性表现的有效方法。我们的研究可为低共熔溶剂循环利用退役锂电池关键金属资源提供有益指导，降低环境负荷并改善资源回收效率。

图1 针对低共熔溶剂的综合评估质疑了溶剂冶金循环利用退役锂电池关键金属的可持续性效力。

作者专访

Cell Press细胞出版社公众号特别邀请Daniel Tsang教授代表研究团队接受了专访，请他为大家进一步详细解读。

CellPress：

请问是哪些重要因素促使您对使用Deep eutectic solvents （DES）回收锂离子电池的整体可持续性开展了该研究？

Daniel C.W. Tsang教授：

香港政府在2021年发布的《香港气候行动蓝图2050》中，将“绿色运输”列为四大减碳策略之一。目前，香港电动汽车保有量约为5.6万辆，而且这一数字还在稳步增长。动力锂电池是电动汽车的核心能源组件，对其进行生命周期结束后的循环利用至关重要。火法冶金和湿法冶金是目前比较成熟的工业化技术，而溶剂冶金在最近几年也被认为是实现退役锂电池关键材料循环利用的可持续性技术。我们注意到，目前关于低共熔溶剂主导的溶剂冶金体系缺乏准确的评估框架以验证其可持续性效力。因此，我们开展了本研究，旨在对多源退役锂电池的不同回收途径进行建模，以探索低共熔溶剂在循环利用关键金属方面的可持续性表现。

CellPress：

请问您在进行本研究的过程中遇到了哪些困难，又是如何克服的？

Daniel C.W. Tsang教授：

我们的核心研究目标是全面探索和评估利用溶剂冶金技术提取退役锂电池关键金属的可持续性。一方面，我们需要对比和评估不同技术体系，也就是需要构建基于湿法/火法/溶剂冶金的三种体系提取关键金属。另一方面，我们需要对低共熔溶剂主导的冶金体系进行多方面的评估，涵盖不同类别的退役锂电池和不同的技术路线。然而，随着电动汽车脱碳的推进，目前退役锂电池循环利用仍然是一个前沿性的课题，相关数据较为有限。因此，我们需要在探索的过程中逐步构建与核心研究相关的体系、框架和路线。为了达成这一目标，我们的团队进行了多次讨论，并提出了各种设想，不断探讨技术方案和设计。在此期间，约克大学的James H. Clark教授和耶鲁大学的Julie B. Zimmerman教授亦给出了针对性的见解。最终，大家群策群力，成功构建了一个相对完善的研究结构和体系。

CellPress：

锂电池的大规模商业化应用虽然只有短短的30多年，实现碳中和社会对锂电池的需求将会有增无减，而作为电池阴极重要材料的关键金属（如锂、钴等）的开采、使用和供应链等方面正面临诸多可持续相关问题和挑战。好消息是，8月17号，欧盟通过一项最新法案要求未来电池实现可循环经济。在此背景下，您能否简述一下本研究的几个重要结论及其重要意义？

Daniel  C.W. Tsang教授：

我们特别注意到，欧盟这项新法案的要求涵盖电池从原材料生产、使用到废旧电池回收的各个生命周期阶段，并强调了碳足迹的重要性。这明确表明，实现电池行业的绿色低碳发展，推动资源高效利用和循环经济，已成为全球的共同目标。我们已经将碳足迹作为一个核心指标，融入到我们已建立的全面评估框架中。我们的研究发现，在化学沉淀路线中，相比于火法/湿法冶金，低共熔溶剂主导的溶剂冶金体系可导致3.1倍的CO₂排放。因此，我们建议在未来的退役锂电池溶剂回收体系中，应积极采用溶剂修复技术，以减少或者避免溶剂消耗，从而显著降低碳足迹。这为未来绿色溶剂在循环利用退役锂电池方面的科学研究和产业应用提供了有益的指导。

CellPress：

基于该研究的成果，您和您的团队后续有意围绕哪些研究方向开展相关工作？

Daniel C.W.Tsang教授：

根据我们目前的评估，我们认为低共熔溶剂主导的溶剂回收体系可能更适用于退役锂电池正极材料的晶体修复。因此，我们期望继续研发低碳排放、低成本、具有商业化潜力的绿色溶剂体系，以推动多源退役锂电池的可持续循环利用。此外，考虑到新能源汽车已经成为香港交通领域脱碳的重要选择，我和我的团队将聚焦于新能源汽车主要部件和关键金属的循环利用研究。为了加速实现全球碳中和的目标，我们计划开发一系列成本有效且低碳环保的技术，以推动新能源汽车内关键金属（如锂、镍、钴、锰、铜和稀土元素）的可持续循环利用，从而为全球能源系统的低碳转型提供支持。

作者介绍

Daniel C.W. Tsang 

教授

Daniel C.W. Tsang，论文通讯作者。香港科技大学土木与环境学系教授，浙江大学清洁能源利用国家重点实验室包玉刚讲座教授。曾任香港理工大学教授、澳大利亚昆士兰大学、泰国朱拉隆功大学客座教授、美国斯坦福大学访问学者、比利时根特大学IMETE学者、英国伦敦帝国理工学院博士后研究员。入选2020-2022年度斯坦福大学排名前2%的科学家和科睿唯安“高被引科学家”。Daniel的团队致力于开发绿色技术以实现碳中和目标，促进资源循环和可持续发展。

相关论文信息

论文原文刊载于Cell Press细胞出版社

旗下期刊One Earth上，

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▌论文标题：

Integrated assessment of deep eutectic solvents questions solvometallurgy as a sustainable recycling approach for lithium-ion batteries

▌论文网址：

https://www.cell.com/one-earth/fulltext/S2590-3322(23)00441-4

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.oneear.2023.09.002

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