STECO蓄电池回收中的低共熔溶剂：可持续发展的前进道路
包括锂基电池在内的各类储能材料回收利用正变得日益重要，这源于电池行业的快速增长及其对全球材料供应链造成的潜在压力。回收不仅有助于回收有价值的金属和矿物，还能减少对环境有害的挖矿活动的依赖，并为地方经济创造机遇。然而，现行回收方法常涉及尚未完全实现环境友好的化学处理工艺。作为更环保的替代方案，低共熔溶剂（DESs）因其在电池回收技术中的应用潜力而备受关注。本综述探讨了该领域DESs的研究进展，同时分析了常被忽视却对完整回收策略至关重要的聚合物组分回收问题。此外，研究还通过简要的生命周期评估（LCA）来评价DESs回收技术的环境效益与局限性。生命周期评价（LCA）的早期介入可引导可持续工艺开发、识别环境权衡并支撑科学决策，从而使新兴回收技术与可持续发展目标及监管框架相协调。尽管储能技术是能源转型成功的关键瓶颈，但储能设备所用材料的回收利用才是真正循环经济的基石，而深共晶溶剂（DES）体系有望在此发挥核心作用。
Graphical abstract
Introduction
随着电动汽车（EV）的普及，锂、镍、钴、铜和石墨等特定矿物的需求预计将呈指数级增长。这些关键矿物和金属是储能（电池）及可再生能源发电所需基础设施的核心组成部分。然而，全球现有矿产储量可能低于预期需求，从而导致供应短缺和价格波动[1]。这些关键矿物的开采与加工往往伴随重大社会与环境问题[2]。挖矿行为可能导致水体污染、生物多样性丧失、森林砍伐及温室气体排放（尽管CO2捕获成为重要研究课题）[3]。此外，在某些地区，挖矿与劳动剥削、恶劣工作条件及侵犯原住民土地权利等问题相关联。为确保全球实现可再生能源目标的同时不损害可持续性或伦理标准，必须采取资源管理、循环利用、技术创新和政策监管相结合的多维策略[1]。就此而言，随着电池使用量激增，发展高效回收技术对解决上述问题至关重要[4]。此类矿物的有效回收可降低电池制造的环境影响[5]。
因此，报告《按电池类型（铅酸、锂离子）、材料（正极、负极、电解液）、应用领域（汽车、电动车、便携式设备、工业）及地区（亚太、北美、欧洲、世界其他地区）划分的电池材料市场——2027年全球预测》估算，电池回收产业规模将从2022年的578亿美元增长至2027年的1204亿美元（预测期内复合年增长率为15.8%）[6]。要理解电池回收流程，首先需要掌握当前经济体系中的主要商用电池类型。根据电化学行为和氧化还原机制的差异[7]，目前普遍生产和使用的电池主要分为若干类型。由于具备操作简便、效率高、环境足迹低等优异性能参数[9]，商业应用中通常采用铅酸(Pb-A)电池、锂离子电池(LIBs)、镍镉(Ni-Cd)电池及镍氢(Ni-MH)电池等主流类型[8]。在众多电池体系中，锂离子电池（LIBs）因其高比能量、高电压与能量密度；紧凑尺寸；优异的容量保持率；低自放电率；无记忆效应；宽广的工作温度范围以及长循环寿命等特性，近年来受到广泛关注并已在全球范围内得到广泛应用[[10], [11], [12], [13]]。此外，与铅酸（Pb-A）和镍镉（Ni-Cd）电池不同，LIBs的组成材料中仅含微量铅、镉等有害重金属，故不具有负面毒理学影响[7,14]。自1991年索尼首次实现商业化应用以来[15]，锂离子电池已被广泛应用于手机、笔记本电脑、电动汽车、摄像机、生物医学仪器及便携式电子设备等领域。然而，LIBs的大规模使用导致对金属资源（尤其是锂和钴）的需求激增[16]。作为全球第二大市场的锂基电池产业，目前正朝着成熟的回收利用、资源再生及循环应用方向发展[17]。
总体而言，虽然铅酸（Pb-A）电池的回收技术已较为成熟，但针对混合动力及电动汽车所用电池系统的回收技术研究仍显不足。近期研究主要集中于评估废料处理工艺[18]。
研究预测，未来数年，随着回收技术的进步与创新，锂离子电池（LIBs）[19]和铅酸（Pb-A）[20]电池的成本将显著降低。作为电池回收活动的核心，锂、钴、镍、铅、稀土元素等重要电池材料的回收与再利用，被视为实现未来循环经济成功的关键要素[21,22]。具体而言，在回收效率提升、锂/钴/镍等贵金属材料回收率优化以及电池设计与制造工艺进步的推动下，锂离子电池（LIBs）预计将实现31%的成本降幅。铅酸电池（Pb-A）与镍氢电池（Ni-MH）则有望降低15%成本，这主要得益于铅/镍等金属回收工艺改进带来的效率提升，以及整体回收基础设施的升级。这些成本削减不仅源于更高效、可持续的回收方法，还包括电池设计与材料采购方面的创新——这些创新将有助于减少对昂贵原材料的依赖，并提升整体供应链效率[23]。随着回收技术的进步，电池行业有望实现更低的环境影响和更高的生产可持续性。
一系列湿法冶金和火法冶金方法已被成功应用，但确保最低环境影响对这些工艺构成重大挑战[24]。因此，自过去十年以来，离子液体（ILs）等绿色溶剂获得了广泛青睐[23]。离子液体是由阴离子和阳离子通过静电作用力结合而成的盐类，其熔点低于100°C，其中许多在室温下呈液态[25,26]。作为可设计溶剂，离子液体相比传统溶剂具有低蒸气压等优势。然而，离子液体的显著劣势在于其冗长的合成与纯化过程[27]，这导致其生产成本高昂。与离子液体相比，近年开发的深共晶溶剂（DESs）作为新型可设计溶剂备受关注。
DESs是由两种或以上组分组成的混合物，这些组分主要通过氢键作用力及可能的范德华力[28,29]相互作用。此类相互作用能够稳定液相结构并破坏各组分的晶体排列，导致混合物熔点较纯物质显著降低[30]。最早报道的DESs基于氯化胆碱(ChCl)与酰胺类化合物的组合[31]。相较于传统离子液体，DESs的重要优势之一是其制备过程简便且成本低廉[32]。此外，通过调控组分的化学性质、摩尔比、分子结构及含水量[30]，可精确调控低共熔溶剂（DESs）的物理化学性质（如极性、粘度和电导率）。因此，DESs在电化学领域获得了广泛应用[28]，例如作为多功能试剂用于电池存储器件开发[33,34]。然而，其在电池回收中的应用是近年才兴起的，仍是待开拓的研究领域[35,36]。为补充系统性文献综述，本研究基于Web of Science数据库开展了2015-2025年间的文献计量分析。通过数据清洗剔除重复记录、验证引文并标准化关键词后，采用VOS viewer对最终数据集进行分析，构建了关键词共现网络。如图1(a)图识别出五个核心主题簇，包括深共熔溶剂与溶剂性质（黄色）、循环经济与废弃物管理（红色）、回收与再生（蓝色）、锂离子电池（绿色）以及浸出体系（紫色）。该网络中，节点大小表征关键词频次，连线粗细反映共现强度，不同颜色区分研究领域。图谱凸显了DES研究的跨学科特性及其与电池回收再生领域日益增强的融合趋势。通过文献系统收集与文献计量图谱相结合，本综述在定性深度与定量分析层面均提供了双重见解。
本手稿的创新性在于对基于深度共熔溶剂（DES）的电池回收技术提出整合性与批判性视角，而非仅局限于对现有工艺的描述性概述。首先，该综述明确指出了不同电池化学体系间的知识缺口，尤其揭示出研究领域存在对锂离子电池的显著偏向性，而关于采用DES回收镍氢电池与铅酸电池的文献不仅数量有限且呈现碎片化特征。与将低共熔溶剂（DESs）视为普遍更优替代方案的传统观点不同，本综述批判性分析了其在上述系统中应用受限的根本原因，包括溶解性限制、金属选择性不足、与传统回收基础设施的兼容性问题以及经济性壁垒。这种基于化学特性的对比评估在以往以DES为核心的回收综述中基本缺失。其次，本文着重探讨了聚合物组分的回收——在以DES为重点的研究中，这一常被忽视的维度通常让位于正极材料或金属回收的讨论。通过引入聚合物回收体系，本综述将基于DES的回收技术置于更全面、更现实的循环经济策略框架中进行阐释。第三，在技术发展早期阶段即纳入生命周期评价（LCA）视角，构成了本研究的关键创新贡献。本综述并未简单地将低共熔溶剂(DESs)视为本质"绿色"，而是批判性评估了其环境代价，包括试剂成本、废液毒性、黏度相关的能量损耗以及溶剂不稳定性等问题，有助于弥合实验室规模可行性研究与工业规模可持续性之间的认知鸿沟——这一关键问题在既往综述中鲜有涉及。最后，本文基于已识别的技术限制（如疏水性低共熔溶剂(HDESs)的理性设计、功能化多组分系统、添加剂辅助浸出策略等）提出未来研究方向，并强调跨学科技术经济评估的必要性，从而推动该领域发展。总体而言，本手稿通过整合材料回收、聚合物再生、环境评估及规模化考量等多个维度，对基于DESs的电池回收技术进行了系统层面的批判性评估，其学术价值超越了现有仅聚焦DESs的回收研究综述。
下一节将概述低共熔溶剂（DESs）作为绿色环保溶剂的总体特性。随后一节作为本文的核心内容，重点分析DESs在锂离子电池（LIB）、镍氢电池（Ni-MH）、铅酸电池（Pb-A）及锌电池组件中回收锂（Li）、钴（Co）、铅（Pb）、锌（Zn）和镍（Ni）等有价金属的应用。该部分系统论述了DESs的多功能性、可调控特性及环境友好性等优势，同时探讨了大规模回收过程中溶剂选择、提取效率与工艺可扩展性等方面面临的挑战。第3节还深入探讨了从电池中回收聚合物废料的工艺，从而拓宽了研究范畴，同时阐明深共晶溶剂如何提升钠、镁等新兴电池体系的回收效率。%% 该部分确认了若干关键研究空白，包括溶剂配方的优化、回收率的提升，以及规模化应用所面临的经济与物流挑战。综述进而阐明了技术创新机遇，旨在推动可持续、高效且可规模化的电池废弃物管理解决方案的开发。
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