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锂离子电池回收技术研究显示，2019年后科学产出年均增长超20%，水冶金法锂、钴回收率达95%和99%。纳米材料如石墨烯、MoS?可提升电池容量至1264mAh/g，循环保持率超85%。研究强调循环经济与LCA整合的必要性，指出规模化与环境影响仍是关键挑战。
作者名单：Liey-si Wong-Pinto、Patricio Cofré、María Lucia Viton、Matías Navea、Tamara Catalán、Camila Gutiérrez、Luis Rojas
北天主教大学地质科学系，智利安托法加斯塔，邮编1240000
摘要 本研究对锂离子电池（LIB）回收技术的最新进展以及纳米材料在提升电池性能中的应用进行了全面的文献计量分析。通过使用Web of Science核心数据库以及Bibliometrix和VOSviewer等工具，识别了出版趋势、关键研究主题和合作网络。分析结果显示，自2019年以来科学产出显著增加，年均增长率超过20%。主要发现表明，湿法冶金工艺在工业回收中仍占据主导地位，锂和钴的回收率分别达到了95%和99%。此外，引入石墨烯、MoS?和金属氧化物复合材料等纳米材料后，电池性能得到提升，具体容量超过1000 mAh g?1 ，100次循环后的容量保持率超过85%。这些结果凸显了将材料回收与性能提升策略相结合的研究方向。与以往的文献计量综述相比，本研究纳入了环境因素，并指出了与可扩展性和环境影响相关的研究空白，为推进可持续的LIB回收和二次利用应用提供了宝贵的见解。
引言 锂和钴因其在医学、军事和工业领域的应用而变得越来越重要。在美国，大约一半的钴用于超级合金，而近90%的锂用于电池[1]。尽管钴的主要用途并非电池，但这两种元素都是锂离子电池（LIB）电化学结构的核心组成部分，构成LiCoO?等电极材料的基础，并影响反应行为[2]。由于锂离子电池具有高能量密度和高效性，它们现在被广泛应用于各种储能设备中，包括手机、相机、笔记本电脑和电动汽车[3]。
虽然锂和钴对现代技术至关重要，但人们对其供应稳定性、需求增长以及环境风险表示担忧。全球50%以上的锂储量位于智利（930万吨）和澳大利亚（620万吨），而全球约60%的钴储量则位于刚果民主共和国[1]。锂和钴储量的地理集中性引发了地缘政治风险，威胁到全球能源市场的稳定[4]。对刚果民主共和国的钴供应依赖度高达70%，这引发了重大的伦理和社会可持续性问题，尤其是在采矿过程中持续存在的人权问题上。同样，中国控制着全球近80%的锂精炼能力，这凸显了建立循环供应链以确保地区自主性的紧迫性。回收利用是地缘政治韧性和环境正义的基本支柱，因为它有助于管理向低碳未来过渡过程中产生的社会生态成本和地方紧张局势[5]。因此，制定促进材料循环利用的公共政策对于缓解市场波动和外部依赖至关重要[6]。这种地理集中性既带来了供应风险，也带来了地缘政治风险。所有行业对这两种元素的需求都在快速增长，预计到2030年需求将增长300%以上，达到3000万吨以上[7]。随着基于锂离子电池的设备的普及，电子废物也在增加。由于电池寿命为2-10年[8]，估计每年有200万吨锂离子电池被丢弃[9]。不当处理这些电池会带来严重的环境风险，因为其组件具有移动性和毒性。因此，回收利用至关重要。Balaram等人提出，在未来三十年内，回收行业可能会超越传统采矿成为这些关键金属的主要供应来源[10]。
锂离子电池（LIB）的回收已成为满足关键元素需求和减少废旧电池环境影响的策略之一[5]。在工业上，回收主要采用火法冶金和湿法冶金方法，这些方法可以回收高达99.4%的锂和99%的钴，从而减少对初级采矿的依赖[5][11]。这些方法还有助于减轻电子废物的环境影响，并支持循环经济[6][12]。然而，这些方法也存在缺点，如产生有毒气体排放[13]以及强酸造成的环境破坏，需要昂贵的废水处理[14][15]。替代方法如有机酸浸出和生物浸出虽然回收率较高[16]，但在处理速度和可扩展性方面存在局限，且回收材料必须满足高性能标准[16]。
纳米材料因其能够显著提升锂离子电池的性能而受到越来越多的关注。它们通过增加表面积、减少锂离子（Li+ ）的扩散路径以及在循环过程中稳定界面来改善电化学性能。Nasis的研究表明，纳米结构的阳极（如石墨烯和金属氧化物）的比容量可超过1000 mAh g?1 ，远高于传统石墨的372 mAh g?1 。石墨烯在第一次循环时可达1264 mAh g?1 ，40次循环后仍保持848 mAh g?1 。碳纳米管（CNTs）的比容量可达1100 mAh g?1 ，库仑效率超过95%。MoSe?/CNTs和MoS?纳米花复合材料在100次循环后仍保持88%以上的容量[17][18]。这些发现表明纳米材料对于克服传统电极材料的局限性至关重要。其他研究也证实了它们在容量、循环寿命和稳定性方面的改进[19]。例如，介孔结构（如分层结构和仿生材料）能够增强锂的扩散[20]，而从稻壳衍生的硅纳米结构可以提升循环寿命和容量[21]。这些创新成果总结在表3中。
生命周期评估（LCA）对于评估废物管理系统的环境和健康影响至关重要。在德黑兰，更新的排放清单和健康成本分析突显了空气污染和废物处理对城市可持续性的影响[22][23]。类似地，应用于市政和医疗废物的LCA也证实了它们在评估资源回收可持续性方面的价值[24][25]。最新的综述强调，高效金属回收不仅是一个技术挑战，也是一个重要的环境问题。Chigbu指出，将循环经济原则与工业实践相结合对于缓解关键矿产的稀缺性至关重要[26]。Zanoletti预测，到2040年，每年废弃的锂离子电池数量将激增至约1400万块，目前的基础设施难以处理如此大量的废电池[27]。此外，不同化学成分的电池回收在经济上的不对称性也值得关注，因为富含镍的正极具有较高的回收价值，而LFP电池的盈利能力则面临挑战[28]。为解决这些复杂问题，Zhou认为必须通过严格的生命周期评估（LCA）来验证将矿物加工副产品整合到价值链中的必要性[28]。这些研究支持将LCA纳入回收技术环境性能评估中。
本文的结构如下：第2节详细介绍了文献计量分析的方法论；第3节探讨了LIB回收研究中的趋势、主要作者、机构和全球合作；第4节回顾了先进的回收技术，包括物理回收、火法冶金、湿法冶金和生物回收方法；第5节分析了纳米材料的作用及其电化学贡献；第6节讨论了关键挑战、研究空白以及将可持续回收和先进材料整合到循环经济模型中的未来方向。
方法论 本研究从Web of Science（WoS）核心数据库中获取了文献计量数据，该数据库以其严谨的索引、广泛的学科覆盖范围和可靠的元数据而闻名[29][30][31]。搜索策略经过精心设计，以确保主题相关性、方法论透明度和可重复性。
文献搜索通过Web of Science（WoS）核心数据库中的研究查询（RQ）字段（所有字段）进行了两次主要查询。
锂离子电池组件 锂离子电池由关键组件组成：连接到正极（ cathode）和负极（anode）的金属集流体、隔膜和电解系统。隔膜是一种多孔膜，通常涂有离子导电电解质溶液，用于防止电极之间的物理接触[10]。电解质可以是液态或固态[38][39]。锂离子电池的放电和充电过程基于锂离子的移动
锂离子电池回收 回收技术的发展与图7中显示的文献计量趋势密切相关，其中“回收”、“分离”和“循环经济”等关键词的频率在过去五年中显著增加。这种定量变化反映了更广泛的工业转型：从简单的废物管理转向注重高纯度和环境可持续性的复杂回收过程。
纳米材料在锂离子电池中的未来 关键词分析（图7c和d）中强调的“性能”、“石墨烯”和“阳极”表明，研究界正转向纳米结构策略。文献计量数据表明，这些术语的使用增加反映了迫切需要克服传统块状材料的性能限制。以下的技术讨论进一步探讨了这一趋势。
锂和钴回收技术的技术路线图 本节概述了一条简洁的技术路线图（图16），总结了从实验室研究到工业应用的锂离子电池回收技术的最新进展。LIB回收技术已从简单的回收效率提升发展到解决原料多样性、产品质量标准、环境影响和不同电池化学成分（如LCO、NMC）下的可扩展性挑战的方案[167][168]。
讨论 这项文献计量综述显示，由于对锂和钴需求的增长，从LIB中回收关键金属和使用纳米材料提升电化学性能的研究显著增加。根据国际能源署（IEA）的预测，到2035年，锂的需求预计将增长五倍，钴的需求将增长三倍[7]。 传统方法如火法冶金技术已经成熟，但存在局限性。钴的回收率超过85%，而锂的回收率仅为50%-80%
应用和未来趋势 锂和钴的回收趋势以及LIB性能的提升，突显了纳米材料在延长电池寿命、提高容量和通过增强离子扩散优化充放电效率方面的关键作用。这些创新支持电池的二次利用、可持续回收以及高性能电池的发展，这对于推动能源转型至关重要。结论 本研究结合了2007年至2025年的文献计量分析和关键技术评估，评估了锂离子电池（LIB）回收与纳米材料工程的融合情况。分析显示，自2019年以来科学产出呈稳健的指数级增长（年均增长率超过20%），这一增长是由从简单的“金属回收”向“循环经济”和“可持续性”的主题转变所驱动的。然而，尽管有这种转变，我们的研究仍发现了一个关键问题：尽管文献计量数据显示
CRediT作者贡献声明
Liey-si Wong-Pinto： 撰写初稿、可视化处理、方法论设计、数据管理、概念构建。Patricio Cofré： 撰写与编辑、可视化处理、验证、监督、形式化分析、数据管理。María Lucia Viton： 撰写与编辑、调查研究、形式化分析。Matías Navea： 撰写与编辑、可视化处理、验证、调查研究。Tamara Catalán： 撰写与编辑。Camila Gutiérrez： 撰写与编辑。Luis Rojas：
关于写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明
在撰写本文期间，作者使用了ChatGPT（OpenAI，美国旧金山）来提高手稿的可读性和英文表达。使用该工具后，作者对内容进行了必要的审查和编辑，并对发表文章的内容负全责。
资金来源
María de Lucia Viton感谢2022学年国家博士奖学金（编号202206010027）的支持。
利益冲突声明
作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务利益和个人关系：
Maria de Lucia Viton表示获得了国家研究与发展机构的财政支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢Research Initiation 2022（项目编号202206010027）的支持。同时，他们也感谢北天主教大学（UCN）提供了MAINI科学设备单元和锂研发中心（
lithium.ucn.cl ）的基础设施支持。
