《Journal of Energy Storage》：Review of the full life cycle of lithium anode materials: From cradle to cradle
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本研究基于循环经济理念，系统综述锂电负极材料全生命周期，涵盖锂资源开采（传统硬岩 mining与太阳能蒸发，新兴DLE技术）、制备工艺（浆料铸造，3D打印、模板法、激光加工）、退役机制（锂离子流失、活性材料降解、内阻增长）及回收技术（火法冶金、湿法冶金、直接再生、功能材料制备），揭示现有技术瓶颈，探讨前沿工艺优势及挑战，为锂电产业可持续发展提供理论支撑。
刘一迪|段恒|赵馨欣|梁志远
中国教育部热流科学与工程重点实验室，西安交通大学能源与动力工程学院，西安，710049
摘要
锂离子电池正极材料因其高能量密度和循环稳定性而彻底改变了储能系统，但其潜力仍受到从提取到回收整个生命周期中可持续性挑战的限制。本研究采用了“从摇篮到摇篮”的循环经济理念，系统地回顾了锂离子电池正极材料的整个生命周期，包括锂资源提取、电池制造、退役和回收。在锂资源提取方面，除了传统的硬岩开采和太阳能蒸发方法外，还介绍了新兴的直接锂提取（DLE）技术。在锂离子电池正极材料的生产过程中，除了传统的浆料浇铸方法外，还引入了3D打印、模板法和激光加工等先进技术来制造高性能材料。退役锂离子电池的失活机制主要归结为锂离子损失、活性材料降解和内阻增加。最后，本文回顾了废弃锂离子电池正极材料的回收方法，包括火法回收、湿法回收、直接再生以及其他功能性材料的制备。本研究指出了生产、制备和回收技术中存在的局限性，讨论了新兴先进技术的优势，并确定了需要解决的关键挑战。这项工作旨在为锂离子电池行业的未来发展提供有价值的见解。
引言
随着新能源汽车的不断进步和普及，由于其高能量密度[1]、长循环寿命[2]、低记忆效应[3]、自放电小以及易于充电和维护[4,5]，基于锂的材料被广泛应用于电动汽车、电子通信设备等领域。根据国际能源署（IEA）最新的《2024年全球电动汽车展望》[6]和《2024年全球关键矿产展望》[7]，预计到2024年底全球电动汽车销量将达到约1700万辆，锂资源需求量将达到13.26亿吨。根据美国地质调查局发布的《2025年矿产商品概要》[8]，2024年全球锂金属产量约为24万吨，比2023年的20.4万吨增长了18%；预计2024年全球锂金属消费量为22万吨，比2023年的17万吨增长了29%。锂离子电池在生产和应用中的需求增加，反过来推动了相关产业的发展，包括锂资源提取、锂离子电池制造以及电池的退役和回收。
在锂离子电池中，正极材料是最有价值的组成部分，对电池性能有显著影响。因此，相关研究十分广泛，涉及锂资源提取技术[11]、正极材料合成方法[12]、电池退役和失活机制[13]以及锂离子电池回收技术[14]。尽管研究深入，但在锂资源提取、正极材料生产、电池退役和寿命终结处理方面仍存在挑战。主要问题包括环境影响[15]、正极材料性能提升[16]以及回收过程中高昂的设备成本[17]。在锂资源提取过程中，传统的硬岩开采技术会破坏生态环境，大量使用淡水会破坏水生生态平衡[18,19]。与硬岩开采相比，海水提取锂的能耗和生产成本较低，但海水处理过程中使用的酸和溶剂可能造成环境污染[20]，同时受到自然蒸发的限制，通常需要较长的时间。直接锂提取技术可以简化锂提取过程。目前许多直接锂提取技术仍在开发中。在锂离子电池制备过程中，浆料浇铸电极制备技术存在电极厚度限制，并且在干燥过程中容易开裂和分层，难以进一步提高正极材料的载流能力[21,22]。研究人员已经开始探索先进的锂离子电池制备技术以提升电池性能，这些内容将在后续章节中介绍。在锂离子电池回收方面，传统的火法回收技术需要高温冶炼，导致大量能源消耗和碳排放[23]。研究人员开始采用其他方法降低反应温度[24,25]、减少碳排放[26,27]、缩短反应时间并提高回收效率[28]。传统的湿法回收技术使用大量无机酸，会产生废水和废气[29]，因此发展了其他环保技术以减少酸的使用并提高锂的回收效率[30],[31],[32]。同时，人们也开始研究直接回收技术以及直接制备功能性材料的技术，以实现废弃锂离子电池的再利用，赋予它们第二次生命[33,34]。一些研究人员开始探索在钠离子电池研究中用钠替代锂的可能性。然而，钠离子电池目前存在相不稳定、能量密度低和循环性能差等缺点[35]。根据欧盟的《关键原材料法案》，预计到2030年锂的需求将增加12倍，到2050年增加21倍[36]。中国的“十四五”原材料产业发展规划强调了推进盐湖锂资源的高效利用和回收[37]。这凸显了锂资源的战略重要性。即使未来钠离子电池部分取代锂离子电池，由于锂在可再生能源存储、3C电子产品和电动汽车等领域的关键作用，对锂的需求仍将持续增长。然而，关于锂离子电池正极材料的全面生命周期分析仍然不足。为了建立有效的正极材料管理系统，进行全面的生命周期评估至关重要。
本文回顾了锂离子电池正极材料的整个生命周期，并比较了各阶段的传统技术和最新开发的先进技术。在锂资源提取方面，除了传统的硬岩开采和太阳能蒸发方法外，还介绍了新兴的直接锂提取（DLE）技术。在正极材料生产过程中，除了传统的浆料浇铸方法外，还引入了3D打印、模板法和激光加工等先进技术来制造高性能锂离子电池正极材料。退役锂离子电池的失活机制主要归结为锂离子损失、活性材料降解和内阻增加。最后，本文回顾了锂离子电池正极材料的回收方法，包括火法回收、湿法回收、直接再生以及其他功能性材料的制备。本文全面总结了锂离子电池正极材料的闭环生命周期，涵盖了锂资源提取、正极材料生产、电池退役和回收。它指出了传统正极材料生产和回收技术的局限性，讨论了新兴先进技术的优势，并确定了仍需解决的关键挑战。这项工作旨在为锂离子电池行业的发展提供有价值的见解。
部分内容摘要
锂资源提取
清洁和可再生能源技术的快速发展显著增加了对锂的需求。作为可再生能源存储和电动汽车电池的关键组成部分，锂的提取必须继续发展以满足这一需求。地球上大部分锂资源储存在盐湖卤水和富锂矿物中，主要来源包括锂云母（spodumene）、锂辉石（lepidolite）和锂铁矿（petalite）[38]。其中，含锂量最高的矿物是...
锂离子电池正极材料的制备
锂的精炼和提取过程会产生大量残渣和炉渣，这些残渣和炉渣可以部分重新用作建筑材料，以减少浪费并提高资源利用效率[84,85]。将锂资源转化为高性能正极材料是电池制造的关键步骤。锂离子电池的组成较为复杂，主要包括正负极板、隔膜、电解质和集流体...
锂离子电池的使用与退役
锂离子电池在使用过程中会逐渐性能下降，最终需要退役。锂离子电池较短的服役寿命和频繁更换导致了退役和处理的急剧增加[110,111]。废弃锂离子电池中的重金属元素（如镍、钴和锰）对环境和人类健康构成重大风险[112,113]。废弃锂离子电池的主要污染途径...
锂离子电池正极材料的回收与再生
退役的锂离子电池正极材料含有锂、镍和钴等关键战略资源，这些资源在锂离子电池中具有最高的经济价值。因此，从废弃电池中回收锂、镍、钴和锰不仅有助于资源回收，还能减轻电子废弃物处理过程中的环境影响。
在回收废弃锂离子电池之前，需要进行预处理，包括放电、拆解和分离[122]...
结论与展望
本文回顾了锂离子电池正极材料的整个生命周期，涵盖了锂资源提取、正极材料合成、电池退役和失活以及电池回收和再生。
在锂资源提取方面，与传统的锂开采和太阳能蒸发方法相比，直接锂提取（DLE）技术具有更高的生产效率、更低的成本和更好的环境效益。然而，其工业应用...
作者贡献声明
刘一迪：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、方法论研究。段恒：研究工作。赵馨欣：项目管理工作。梁志远：撰写——审稿与编辑、监督、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了陕西省重点研发计划[2023-YBGY-291]和青年科技新星计划[2022KJXX-51]的支持。
