《Resources, Conservation and Recycling》：Life cycle assessment-guided process innovation for electrochemical lithium extraction: Insights from laboratory-scale experiments
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電化學提鋰技術首次進行實驗室規模生命周期評估，比較LMO和LNMO電極系統，LNMO減排53%（33.1 vs 68.0 kg CO?-eq/kg Li?CO?），NMP溶劑為關鍵環境熱點，優化策略可降碳28-43%，工業級應用潛力優于傳統鉬云母提鋰工藝，研究強調材料效率和早期LCA在指導可持續電池回收中的重要性。
作者：Mubin Song、Chaehyeon Lee、Jooyoung Park、Eunhyea Chung
韓國首爾國立大學土木與環境工程系，Gwanak-ro 1號，Gwanak-gu，首爾 08826
摘要
電化學提取方法為從廢舊電池中回收鋰提供了一種有前景的替代方案，但其環境影響尚未得到充分研究。本研究首次在實驗室規模上對電化學提取鋰的過程進行了生命周期評估（LCA），比較了鋰錳氧化物（LMO）和鋰鎳錳氧化物（LNMO）電極系統。與LMO系統相比，LNMO系統減少了53%的碳排放（分別為33.1千克二氧化碳當量/千克Li?CO?和68.0千克二氧化碳當量/千克Li?CO?），并且發現N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）溶劑是兩種電極系統的主要環境問題來源。通過對六種替代工藝設計的情景分析，發現NMP相關優化策略可使碳排放減少28–43%。在工業規模假設下，優化后的電化學提取工藝在環境性能上可與傳統的鋰碳酸鹽生產方法相媲美。這些發現將研究重點從能源優化轉向材料效率，并展示了早期LCA在指導可持續電池回收中的作用。
引言
鋰離子電池（LIB）市場已成為全球電氣化戰略的核心。預計到2030年，電動汽車（EV）對電池的需求將從2024年的340 GWh增加到超過3,500 GWh（Arnold等人，2024年）。這一前所未有的增長，加上預計到2025年將有50萬噸廢舊LIB積累（Xu等人，2022年），加劇了對可持續回收技術的需求。生命周期評估（LCA）已成為這一領域的重要決策支持工具，能夠提供定量指標來指導技術發展和政策制定（Arshad等人，2022年；Sankar等人，2023年）。然而，為了保持決策相關性，LCA必須適應技術創新和市場動態，以提供可行的可持續回收過程建議。
當前鋰離子電池回收議程由兩個戰略重點定義。首先，正極化學成分的演變改變了材料回收的優先級。由于鈷的價值和碳強度，鈷曾是回收的重點，但受供應鏈風險和成本壓力的影響，行業正在向低鈷或無鈷配方轉型（Eddy等人，2018年；Harper等人，2019年；Xu等人，2020年）。這一轉變使鋰成為關鍵回收目標。歐盟要求到2031年工業和電動汽車電池的鋰回收率達到80%（歐盟，2024年）。其次，工藝創新必須在高回收率和最小環境影響之間取得平衡。目前的鋰回收率遠低于監管目標（IEA，2024年）；此外，傳統鋰回收方法帶來的環境收益被削弱，凸顯了需要更清潔、更有效的鋰回收途徑（Cao等人，2023年；Yoo等人，2023年）。
目前，廢舊LIB的回收主要通過火法冶金或濕法冶金工藝以及直接回收方式進行（Harper等人，2019年；Hayagan等人，2024年）。由于鋰在爐渣中的濃度較低且提取過程能耗高（Assefi等人，2020年），因此通過火法冶金回收鋰具有挑戰性。濕法冶金工藝通過酸浸后進行溶劑萃取、離子交換和沉淀等步驟，可實現目標金屬的高純度和高回收率（Pi?tek等人，2021年）。然而，由于鋰與其他堿金屬的化學性質相似，鋰常常無法在早期階段被回收，或者只能在最終處理階段被提取（Yoo等人，2023年）。直接回收方法通過正極活性材料的再活化恢復電池的容量和性能（Wang等人，2024年），但需要額外的鋰源來補充消耗的鋰（Zhou等人，2021a）。
電化學提取方法作為一種有前景的替代方案，提高了鋰的回收效率并減少了化學物質的消耗（Bae和Kim，2021年）。該技術利用電子作為選擇性氧化還原試劑，通過電化學控制的插入/提取反應捕獲鋰離子，類似于鋰離子電池的充放電機制（Battistel等人，2020年）。早期關于電化學鋰回收的研究針對了多種含鋰的水源，包括鹽水、海水和電池工業廢水，并使用了商業化的電池正極材料，如鋰錳氧化物（LMO）、鋰鎳鈷鋁氧化物（NCA）和鋰鐵磷酸鹽（LFP）（Xiong等人，2022年）。最近，電化學提取方法被應用于廢舊電池浸出液，以環保的方式克服了濕法冶金回收過程中的局限性。例如，Jang等人（2021年）使用LMO活化的碳（AC）電極系統從工業浸出液中回收了92.2%的鋰。
盡管技術有所進步，但關于電化學鋰離子電池回收的環境證據仍然不足。以往包含電化學步驟的LCA研究往往通過僅建模電力消耗或忽略電極和其他關鍵組件來簡化問題（Iannicelli-Zubiani等人，2017年；Liu等人，2024年）。對于像電化學鋰離子電池回收這樣的新興技術，特定技術的數據對于識別問題點和指導改進至關重要（Moni等人，2020年；Nurdiawati等人，2025年）。此外，簡化的工藝假設被認為是LCA的主要局限性（Duarte Castro等人，2022年；Mohr等人，2020年；Rinne等人，2024年）。準確的環境評估需要基于實際工藝參數的實證數據，而不僅僅是理論估計。
本研究基于實驗室規模的工藝數據，首次對技術成熟度為4級的電化學鋰提取技術進行了全面的LCA。與依賴簡化假設或僅關注電力的先前研究不同，我們的分析整合了整個電極制造和提取過程中的操作數據，以分析兩種電極系統之間的工藝差異。此外，我們采用了情景分析方法，提出了經已發表或實驗證據驗證的工藝優化建議。這項工作填補了電化學電池回收評估中的關鍵知識空白，并為評估和優化這項新興回收技術提供了堅實的基礎（Li等人，2024年；Milian等人，2024年）。
系統定義：功能單元、系統邊界和分配
功能單元定義為回收1千克碳酸鋰（Li?CO?），以評估從廢舊電池浸出液中電化學提取鋰的環境性能。根據ISO 14040程序，比較了兩種具有不同回收機制的電極系統。LMO系統在對電極上涂覆了AC涂層，以防止Jahn–Teller效應引起的降解（2Mn3? → Mn?? + Mn2?）（Joo等人，2020年；Ouyang等人，2009年）。
基線電化學提取過程的貢獻分析
在18個影響類別中，LNMO系統在13個類別上的環境性能優于LMO系統（表S16–S17）。全球變暖影響相差52%。LNMO系統每回收1千克Li?CO?產生的二氧化碳當量為33.1千克，而LMO系統為68.0千克。在考慮碳酸鋰生產過程中的減排效應之前，礦物資源稀缺性是一個例外，LNMO的影響比LMO高出2.35倍（分別為0.61千克銅當量和0.26千克銅當量）。
結論
本研究首次在實驗室規模上對從廢舊電池浸出液中電化學提取鋰的過程進行了生命周期評估，揭示了挑戰傳統電化學過程假設的優化路徑。LNMO電極系統的環境性能更優，碳排放降低了53%（分別為33.1千克二氧化碳當量/千克Li?CO?和68.0千克二氧化碳當量/千克Li?CO?），并且兩種系統的性能均優于傳統的溶劑提取方法。最重要的是，這些發現表明……
寫作過程中生成式AI和AI輔助技術的聲明
在準備本工作時，作者使用了ChatGPT 5.0和Claude Opus 4.1工具來檢查語法和編輯手稿。使用這些工具后，作者根據需要審查和修改了內容，并對出版物的內容負全責。
CRediT作者貢獻聲明
Mubin Song：撰寫初稿、可視化、軟件開發、方法論設計、概念構建。
Chaehyeon Lee：數據驗證、方法論制定、數據管理。
Jooyoung Park：撰寫與編輯、驗證、項目管理。
Eunhyea Chung：數據驗證。
利益沖突聲明
作者聲明以下可能構成利益沖突的財務利益和個人關系：Jooyoung Park表示獲得了首爾國立大學的財務支持。Eunhyea Chung表示獲得了韓國能源技術評估與規劃機構（KETEP）和韓國貿易、工業與能源部（MOTIE）的財務支持。如果還有其他作者，他們聲明沒有已知的利益沖突。
致謝
本工作得到了首爾國立大學的新教師創業基金的支持，同時也得到了韓國能源技術評估與規劃機構（KETEP）和韓國貿易、工業與能源部（MOTIE）的支持（編號：RS-2025–04442986）。
