锂离子电池中使用的关键矿物资源有限，且高度集中在全球少数地区。如何确保这些材料的稳定供应，已成为各国政府关注的重点。然而，目前大部分废旧电池仍被直接填埋，不仅浪费宝贵资源，还会将有毒化学物质释放到环境中。

赖斯大学材料科学与纳米工程系博士生高塔姆·钱德拉谢卡尔指出：“回收废旧电池，是缓解关键矿物供应紧张最现实的途径，但研究表明，目前实际回收率不足10%。”他是这一新型电池回收方法研究的第一作者，相关成果发表在《先进材料》（Advanced Materials）期刊上。

研究团队提出了一种结合短时微波诱导等离子体预处理和温和溶剂浸出的新工艺。他们在室温条件下，使用包括柠檬酸在内的相对温和溶剂，从电池废料中几乎完全回收了有价值的金属，并成功再生了石墨——锂离子电池负极的主要组成材料。

“通过等离子体预处理，我们只需要不比柠檬中酸性更强的溶剂，就能从电池黑质中回收近95%的金属，包括锂在内。”钱德拉谢卡尔说。他隶属于赖斯大学Pulickel Ajayan课题组。

在现有工业流程中，废旧电池通常先被粉碎成所谓的“黑质”，其中含有锂、钴、镍、石墨、锰、铝等多种矿物。要从黑质中提取这些金属，往往需要高温、高能耗和强酸等严苛条件，且不同金属的回收效率差异较大。

“目前工业电池回收工艺对金属的提取效率并不理想，而且主要集中在正极材料上。”赖斯大学助理研究教授、该研究的共同第一作者张翔表示。

其中，锂的高效回收尤为困难；而石墨约占电池总重量的22%，在传统回收过程中容易受到损伤，因此很少能被重新用于电池。

“这是电池回收中一个非常关键的问题：石墨是锂离子电池中体积占比最大的单一组分，也是目前大规模商业电池中几乎不可替代的负极材料。”Ajayan课题组研究科学家、本研究通讯作者索希尼·巴塔查里亚（Sohini Bhattacharyya）强调。

巴塔查里亚表示，团队的目标是开发一种可以嵌入现有工业流程的一步预处理技术，在不大幅增加复杂度的前提下，提高整体回收效率、降低环境影响，并尽可能回收“包括石墨在内的所有关键材料”。

“我们的设想是，利用微波诱导等离子体作为预处理步骤，先对金属氧化物颗粒进行分解，从而让后续在较弱酸中的湿法冶金回收过程变得更容易。”她解释道。

为验证这一思路，团队使用了由张翔设计的定制微波等离子体反应器。将黑质在微波诱导等离子体——即带电粒子激发形成的气体环境中处理约15分钟后，再在室温柠檬酸溶液中浸出，结果显示超过90%的金属被成功回收，其中锂还能在水中被选择性分离回收。同时，这一预处理过程还能清除电池使用过程中在石墨表面积累的残留物和结构缺陷。

“经过这一工艺再生的石墨，在重新用作电池负极时表现出优异的电化学性能。”钱德拉谢卡尔补充道。

该技术目前已申请专利，研究团队正推进其产业化进程。初步的技术经济分析显示，这一工艺在整体成本和能耗方面有望优于现有工业方法，尤其是在回收可直接用于电池的高质量石墨方面优势明显。

“这是一种具有突破意义的路线，能够在极低化学品用量和能耗的条件下，从电池黑质中回收所有关键矿物。”赖斯大学Benjamin M.和Mary Greenwood Anderson工程学教授、材料科学与纳米工程教授Pulickel Ajayan评价道。