锂离子电池为手机、电动汽车、电网级储能以及耳机等设备提供动力。其中，正极材料——电池中标有“+”号的一极——成本高昂，并高度依赖少数国家的矿产资源，尤其是锂和钴。例如，刚果民主共和国承担了全球约 70% 的钴矿开采。

桑迪亚国家实验室的研究人员提出了一种基于微波的新工艺，用于回收并“升级再利用”旧锂离子电池的正极材料。与传统仅将材料回收为原始形态不同，这一方法可以将废旧正极转化为更符合当前产业需求的新型正极材料，同时所需时间更短、能耗和成本也低于常规高温工艺。

桑迪亚纳米材料化学家、该方法的发明人克莱尔·戴维斯-惠勒·秦指出：“钴几乎是所有消费电子产品中的关键材料。由于主要供应高度集中，一旦供应链受扰，风险极大。未来几年，大量电动汽车电池将退役，这些电池要么进入填埋场，要么成为发展本土资源的重要来源。”

微波“打开”旧正极材料

在锂离子电池中，正极是锂离子与来自外部电路电子结合的部位。研究团队使用一种微波反应器，其体积和功率与家用微波炉相近，但参数更易精确调节。配合一种大型带正电的离子，他们能够将旧正极粉末“剥离”成由纳米片组成的层状结构。这种大阳离子在功能上类似于护发素中的活性成分，可以插入并撑开层状材料。

戴维斯-惠勒·秦解释，微波对含水体系加热效率极高，而人们在加热剩饭时常抱怨的“加热不均匀”现象，在这里反而有利于破坏和分解正极材料的晶体结构。

通过该微波工艺，常见的旧锂钴氧化物正极粉末（旧锂离子电池中最普遍的正极材料）从块状结构转化为纳米片的时间，从原先约 7 天缩短到约 2 小时。

曾在桑迪亚实习、现为新奥尔良大学博士生的柯尔斯滕·琼斯参与了这一工艺的开发。新方法使纳米片的产率从约 60% 提升到约 95%。

不过，电池本身并非为易拆解而设计，要从废旧电池中安全、高效地提取出可用的正极粉末并不容易。桑迪亚计算材料科学家、该实验室指导研发项目负责人凯文·梁表示，实际拆解难度超出预期。材料科学家布莱恩·怀甘特负责这一拆解环节，充分利用了桑迪亚电池滥用测试实验室在安全拆解和处理方面的经验。

戴维斯-惠勒·秦补充，目前还有其他旧正极材料升级再利用路线在探索中，尤其是阿贡国家实验室 ReCell 中心的相关工作。

梁指出：“其他能源部实验室也在研究正极回收。ReCell 的路线更接近传统工业制备方式，即通过高温炉调整正极成分。我们的方案则是低温工艺，避免了大规模高温加热带来的能耗。”

通过纳米片实现“用镍替代钴”

为什么要把旧正极变成纳米片？

桑迪亚电化学家、镀层离子交换专家阿利娅·拉普解释：“当材料呈纳米片结构时，离子交换可以在整个片层范围内进行，从而最大化可交换的关键金属数量。”

这点非常关键，因为纳米片更易于进行成分调控，便于科学家在材料中替换金属离子，以顺应产业趋势。戴维斯-惠勒·秦指出，汽车行业已经发现，用更便宜的镍部分替代昂贵的钴后，正极性能反而有所提升。梁也强调，这种成分调整已成为行业主流方向。

拉普说：“当这些电池被回收时，距离它们最初生产往往已经过去 10 到 15 年，产业偏好和配方可能已经发生巨大变化。通过离子交换，我们可以让回收得到的正极材料重新对齐当前的技术路线。”

此外，纳米片化过程还能在一定程度上“自我修复”正极材料多年使用中产生的微观缺陷，并去除部分杂质。戴维斯-惠勒·秦指出，现有回收工艺通常无法在不增加多道额外工序的前提下完成这种修复。

在用镍替代部分钴的过程中，被替换出来的钴不会浪费。拉普表示，这部分钴可以被捕获并用于制备另一种正极材料，相当于从一块旧正极材料中衍生出两种新正极产品。

为此，桑迪亚地球化学家阿纳斯塔西亚·伊尔根开发了一种基于金属有机框架（MOF）的选择性捕获技术，用于从反应混合物中精准“抓取”被置换出来的钴离子。

在项目早期，梁于 2022 年秋季通过计算机模拟评估金属离子交换的可行性。密度泛函理论（DFT）计算结果表明，这一交换过程虽然不会自发快速进行，但也并非热力学上极度不利或动力学上过慢，具备通过工艺设计实现的空间。

随后，由亚利桑那州立大学教授陈坎迪斯领导的团队开展了概念验证实验。通过多种实验手段，他们证明可以将约九分之一的钴成功替换为镍。之后，拉普加入项目，为离子交换路线提供专业指导，并帮助团队确定更具可行性和经济性的升级路径。

技术仍在加速开发中

2025 年春季，戴维斯-惠勒·秦和梁参加了美国能源部的 Energy I-Corps 培训项目，进一步将这项微波“开采”工艺向可落地技术推进。作为培训的一部分，他们访谈了约 80 位电池回收行业的企业和机构代表，以深入了解产业痛点和市场环境。

拉普目前正致力于优化离子交换步骤，并开展该工艺的技术经济分析。她指出，一个核心问题是：通过回收旧电池生产的正极材料，成本是否能够低于从海外进口的新正极材料或其原料。利用阿贡国家实验室开发的经济建模工具进行的初步评估显示，这一方法有望将正极回收利润较当前最先进工艺提升至少 30%。

该技术已在今年申报 R&D 100 奖项。团队也已围绕该工艺提交了两项专利申请，并积极寻找产业合作伙伴，推进合作研究协议、技术许可以及技术商业化基金等方向。

拉普表示：“这一方法不仅适用于锂离子电池正极，也可以扩展到钠离子电池、锌离子电池等其他层状嵌入型正极材料。只要正极属于层状嵌入化合物，我们的方法就具备适用性。这是一项潜力非常大的技术。”

研究人员仍在持续改进整个流程，包括进一步提升离子交换效率和完善经济性评估。尽管仍处于开发阶段，现有结果已经表明，废旧电池远不只是需要处理的垃圾。通过这类新工艺，它们有望成为下一代储能技术的重要本土资源来源。