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电化学提锂技术首次进行实验室规模生命周期评估，比较LMO和LNMO电极系统，LNMO减排53%（33.1 vs 68.0 kg CO?-eq/kg Li?CO?），NMP溶剂为关键环境热点，优化策略可降碳28-43%，工业级应用潜力优于传统钼云母提锂工艺，研究强调材料效率和早期LCA在指导可持续电池回收中的重要性。
作者：Mubin Song、Chaehyeon Lee、Jooyoung Park、Eunhyea Chung
韩国首尔国立大学土木与环境工程系，Gwanak-ro 1号，Gwanak-gu，首尔 08826
摘要
电化学提取方法为从废旧电池中回收锂提供了一种有前景的替代方案，但其环境影响尚未得到充分研究。本研究首次在实验室规模上对电化学提取锂的过程进行了生命周期评估（LCA），比较了锂锰氧化物（LMO）和锂镍锰氧化物（LNMO）电极系统。与LMO系统相比，LNMO系统减少了53%的碳排放（分别为33.1千克二氧化碳当量/千克Li?CO?和68.0千克二氧化碳当量/千克Li?CO?），并且发现N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）溶剂是两种电极系统的主要环境问题来源。通过对六种替代工艺设计的情景分析，发现NMP相关优化策略可使碳排放减少28–43%。在工业规模假设下，优化后的电化学提取工艺在环境性能上可与传统的锂碳酸盐生产方法相媲美。这些发现将研究重点从能源优化转向材料效率，并展示了早期LCA在指导可持续电池回收中的作用。
引言
锂离子电池（LIB）市场已成为全球电气化战略的核心。预计到2030年，电动汽车（EV）对电池的需求将从2024年的340 GWh增加到超过3,500 GWh（Arnold等人，2024年）。这一前所未有的增长，加上预计到2025年将有50万吨废旧LIB积累（Xu等人，2022年），加剧了对可持续回收技术的需求。生命周期评估（LCA）已成为这一领域的重要决策支持工具，能够提供定量指标来指导技术发展和政策制定（Arshad等人，2022年；Sankar等人，2023年）。然而，为了保持决策相关性，LCA必须适应技术创新和市场动态，以提供可行的可持续回收过程建议。
当前锂离子电池回收议程由两个战略重点定义。首先，正极化学成分的演变改变了材料回收的优先级。由于钴的价值和碳强度，钴曾是回收的重点，但受供应链风险和成本压力的影响，行业正在向低钴或无钴配方转型（Eddy等人，2018年；Harper等人，2019年；Xu等人，2020年）。这一转变使锂成为关键回收目标。欧盟要求到2031年工业和电动汽车电池的锂回收率达到80%（欧盟，2024年）。其次，工艺创新必须在高回收率和最小环境影响之间取得平衡。目前的锂回收率远低于监管目标（IEA，2024年）；此外，传统锂回收方法带来的环境收益被削弱，凸显了需要更清洁、更有效的锂回收途径（Cao等人，2023年；Yoo等人，2023年）。
目前，废旧LIB的回收主要通过火法冶金或湿法冶金工艺以及直接回收方式进行（Harper等人，2019年；Hayagan等人，2024年）。由于锂在炉渣中的浓度较低且提取过程能耗高（Assefi等人，2020年），因此通过火法冶金回收锂具有挑战性。湿法冶金工艺通过酸浸后进行溶剂萃取、离子交换和沉淀等步骤，可实现目标金属的高纯度和高回收率（Pi?tek等人，2021年）。然而，由于锂与其他碱金属的化学性质相似，锂常常无法在早期阶段被回收，或者只能在最终处理阶段被提取（Yoo等人，2023年）。直接回收方法通过正极活性材料的再活化恢复电池的容量和性能（Wang等人，2024年），但需要额外的锂源来补充消耗的锂（Zhou等人，2021a）。
电化学提取方法作为一种有前景的替代方案，提高了锂的回收效率并减少了化学物质的消耗（Bae和Kim，2021年）。该技术利用电子作为选择性氧化还原试剂，通过电化学控制的插入/提取反应捕获锂离子，类似于锂离子电池的充放电机制（Battistel等人，2020年）。早期关于电化学锂回收的研究针对了多种含锂的水源，包括盐水、海水和电池工业废水，并使用了商业化的电池正极材料，如锂锰氧化物（LMO）、锂镍钴铝氧化物（NCA）和锂铁磷酸盐（LFP）（Xiong等人，2022年）。最近，电化学提取方法被应用于废旧电池浸出液，以环保的方式克服了湿法冶金回收过程中的局限性。例如，Jang等人（2021年）使用LMO活化的碳（AC）电极系统从工业浸出液中回收了92.2%的锂。
尽管技术有所进步，但关于电化学锂离子电池回收的环境证据仍然不足。以往包含电化学步骤的LCA研究往往通过仅建模电力消耗或忽略电极和其他关键组件来简化问题（Iannicelli-Zubiani等人，2017年；Liu等人，2024年）。对于像电化学锂离子电池回收这样的新兴技术，特定技术的数据对于识别问题点和指导改进至关重要（Moni等人，2020年；Nurdiawati等人，2025年）。此外，简化的工艺假设被认为是LCA的主要局限性（Duarte Castro等人，2022年；Mohr等人，2020年；Rinne等人，2024年）。准确的环境评估需要基于实际工艺参数的实证数据，而不仅仅是理论估计。
本研究基于实验室规模的工艺数据，首次对技术成熟度为4级的电化学锂提取技术进行了全面的LCA。与依赖简化假设或仅关注电力的先前研究不同，我们的分析整合了整个电极制造和提取过程中的操作数据，以分析两种电极系统之间的工艺差异。此外，我们采用了情景分析方法，提出了经已发表或实验证据验证的工艺优化建议。这项工作填补了电化学电池回收评估中的关键知识空白，并为评估和优化这项新兴回收技术提供了坚实的基础（Li等人，2024年；Milian等人，2024年）。
系统定义：功能单元、系统边界和分配
功能单元定义为回收1千克碳酸锂（Li?CO?），以评估从废旧电池浸出液中电化学提取锂的环境性能。根据ISO 14040程序，比较了两种具有不同回收机制的电极系统。LMO系统在对电极上涂覆了AC涂层，以防止Jahn–Teller效应引起的降解（2Mn3? → Mn?? + Mn2?）（Joo等人，2020年；Ouyang等人，2009年）。
基线电化学提取过程的贡献分析
在18个影响类别中，LNMO系统在13个类别上的环境性能优于LMO系统（表S16–S17）。全球变暖影响相差52%。LNMO系统每回收1千克Li?CO?产生的二氧化碳当量为33.1千克，而LMO系统为68.0千克。在考虑碳酸锂生产过程中的减排效应之前，矿物资源稀缺性是一个例外，LNMO的影响比LMO高出2.35倍（分别为0.61千克铜当量和0.26千克铜当量）。
结论
本研究首次在实验室规模上对从废旧电池浸出液中电化学提取锂的过程进行了生命周期评估，揭示了挑战传统电化学过程假设的优化路径。LNMO电极系统的环境性能更优，碳排放降低了53%（分别为33.1千克二氧化碳当量/千克Li?CO?和68.0千克二氧化碳当量/千克Li?CO?），并且两种系统的性能均优于传统的溶剂提取方法。最重要的是，这些发现表明……
写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备本工作时，作者使用了ChatGPT 5.0和Claude Opus 4.1工具来检查语法和编辑手稿。使用这些工具后，作者根据需要审查和修改了内容，并对出版物的内容负全责。
CRediT作者贡献声明
Mubin Song：撰写初稿、可视化、软件开发、方法论设计、概念构建。
Chaehyeon Lee：数据验证、方法论制定、数据管理。
Jooyoung Park：撰写与编辑、验证、项目管理。
Eunhyea Chung：数据验证。
利益冲突声明
作者声明以下可能构成利益冲突的财务利益和个人关系：Jooyoung Park表示获得了首尔国立大学的财务支持。Eunhyea Chung表示获得了韩国能源技术评估与规划机构（KETEP）和韩国贸易、工业与能源部（MOTIE）的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的利益冲突。
致谢
本工作得到了首尔国立大学的新教师创业基金的支持，同时也得到了韩国能源技术评估与规划机构（KETEP）和韩国贸易、工业与能源部（MOTIE）的支持（编号：RS-2025–04442986）。
