2025年12月31日，清华大学邓兵团队在《Cell Reports Physical Science》上发表了题为“Co-recycling of waste lithium-ion batteries and polyvinyl chloride plastics”的研究论文。该研究报道了一种基于快速焦耳加热的电热氯化新技术，用于协同回收废旧锂电池与PVC塑料。该技术通过秒级脉冲加热实现精准热力学控制，能高效、高选择性地分离回收正极中的锂（94%-99%）与钴、镍、锰等金属（94%-99%），同时将PVC中的碳原位转化为高价值石墨烯。与现有方法相比，该工艺可显著降低碳排放与成本，为两类固体废物的高值化、低碳化共回收提供了创新解决方案。
研究背景
1. 严峻挑战：随着电动汽车和电子设备爆发式增长，废旧锂离子电池数量激增，带来环境风险（有毒金属泄漏、火灾）和资源危机（锂、钴、镍、锰等关键金属供应紧张）。
2. 现有技术瓶颈：传统回收方法（如火法冶金、湿法冶金）存在高能耗、高污染、流程长、选择性差等问题。
3. 塑料废物问题：PVC塑料产量大，传统处理（如焚烧或填埋）易产生有毒含氯化合物，回收利用率低。
4. 共回收理念：将两种废物协同处理，有望提高整体效率并创造新的价值链，但现有方法存在反应不可控、耗时长、碳资源未高值化利用等局限。
研究方法
1. 原料混合与快速焦耳加热：将废旧电池正极材料粉末、PVC塑料粉末及导电炭黑按比例混合，置于密封石英管中。通过一个高功率脉冲电源系统（最大输出36V/83A），对反应体系施加短暂（通常在数十秒内）、可控的直流脉冲电流使样品达到预设高温。
图1：电热氯化用于废旧电池正极与PVC塑料共回收的原理与表征
2. 选择性氯化与碳转化：在高温下，PVC分解产生HCl作为氯化剂。通过精确控制反应温度，引导正极材料发生选择性转化——锂转化为水溶性氯化锂，而钴、镍、锰等过渡金属被还原为不溶于水的金属或氧化物。同时，PVC中的碳在高温及过渡金属催化下原位转化为石墨烯材料。
3. 分步浸出与产物表征：反应后固体先经水浸回收锂，残渣再用稀酸浸出回收过渡金属。采用XRD、XPS、ICP-OES等多种分析手段对反应产物、浸出液及副产石墨烯进行系统表征。
研究结果
1. 高效高选择性金属回收：该工艺对多种主流正极材料均实现了高效的金属回收与分离。锂的回收率达到94%–99%，同时过渡金属（Co、Ni、Mn）的回收率也高达94%–99%。最关键的是，通过精准的热力学控制，实现了锂与过渡金属的极致分离，其中锂-钴分离因子最高可达约2,600，这意味着在浸出步骤中，锂能几乎完全进入溶液，而过渡金属则被高度抑制并保留在渣中，为后续的分别提纯创造了有利条件。
2. 塑料碳的高值化转化：在回收金属的同时，原本作为废弃物的PVC塑料中的碳被成功升级回收为高价值的石墨烯材料。表征结果表明，在电热过程中，正极材料中的过渡金属（如Co、Ni）有效催化了PVC碳的石墨化进程，生成了结构有序的闪蒸石墨烯。相比之下，单独热解PVC只能得到无序碳。该石墨烯副产物具有优异的电催化性能，为整个回收流程创造了新的价值增长点。
图5：电热氯化过程中产生的闪蒸石墨烯副产物与气体产物
3. 显著的环境与经济效益：生命周期评估与技术经济分析显示，该共回收策略兼具突出的环境与经济效益。相较于传统的湿法/火法工艺，其温室气体排放可降低84%–94%，同时有效抑制了PVC单独处理时产生的有毒副产物。在经济性上，该工艺的操作成本降低46%–95%，而副产石墨烯带来的额外收入显著提升了整体净收益，展现出强大的工业化应用潜力。
展望
1. 技术扩展性：该方法有望进一步扩展至更多样化的废物体系，例如回收其他正极体系（如NCA、LFP）和含氯废物，展现了其作为通用回收平台的潜力。
2. 规模化与产业化：实验室已成功实现核心反应步骤的初步放大，未来将推进中试研究和建立完整的集成工艺链，以推动该技术向实际工程应用转化。
3. 经济与策略优化：为实现经济最优，未来产业化可重点考虑在可再生能源丰富、电价低廉的区域布局，以充分发挥该电驱动工艺的成本与环境双重优势。
DOI:10.1016/j.xcrp.2025.103048
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