随着全球对能源需求的增加以及减少温室气体排放的努力，便携式电子设备和电动汽车的需求正在迅速增长。因此，作为主要储能技术的锂离子电池（LIBs）的生产也在大幅扩张。特别是采用Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2 (NCM)正极的LIBs，因其高能量密度、较大的电压容量和可靠性而成为主导的储能材料[1]、[2]、[3]、[4]。预计到2027年，NCM正极市场的价值将达到464亿美元[5]、[6]。然而，LIBs的普及导致了越来越多的废旧电池产生。预计到2035年，废旧LIBs的体积将达到676万吨[7]。此外，这些废弃的LIBs由于含有大量重金属和有机物质，对环境和人类健康构成了严重威胁[8]。重金属如Ni、Co和Li可引发胃肠道不适、心肌缺血和神经系统问题[9]。至于有机物质，电解液会产生腐蚀性和有毒的氯化氢，而粘合剂则会对动植物的生殖健康造成损害[10]。同时，废弃的LIBs作为一种富含重金属Ni、Co和Li的“人工矿物”资源而变得有价值[11]。从废弃LIBs中回收Co和Li可以减少近51%的天然金属开采，并显著降低SOx和CO2的排放[12]、[13]、[14]。因此，采用高效且环保的回收工艺来处理废弃LIBs中的重金属，尤其是含有NCM正极的电池，对于解决资源短缺和减轻负面影响至关重要。
火法冶金处理已成为锂离子电池回收的工业过程的基石，因为它操作简单且处理能力稳定。火法冶金的主要技术是在无氧条件下，使用碳作为还原剂将锂化金属氧化物热还原为可分离的金属组分。然而，火法冶金所需的高操作温度（>900°C）导致能耗高和处理成本高[15]、[16]。最近的研究致力于优化方法，包括使用替代化学还原剂，以降低温度并提高经济效率和环境可持续性。Dang等人成功地使用无机氯供体从废弃LIBs中回收了正极材料[5]。Lin的研究引入了一种改进的硫酸盐焙烧方法，利用硫酸和金属硫化物作为加速剂[17]。尽管取得了这些进展，但仍存在挑战。辅助剂的大量使用仍然是一个问题，而且反应温度仍然高于700°C。因此，开发出具有更高能源效率和效果的废弃NCM正极电池回收策略仍然十分必要。
聚氯乙烯（PVC）塑料因其耐用性和多功能性而在各种行业中广泛使用，目前占全球塑料产量的很大一部分。然而，PVC塑料废弃物的处理带来了严重的环境挑战，因为它会导致持续的污染和资源枯竭。最近，共热解已成为处理和利用PVC废弃物的有前景的方法。许多研究表明，当PVC与各种材料共热解时，可以促进PVC的热裂解并形成小分子产物[18]。将PVC与纤维素和报纸共热解可以显著降低热解温度并改变热解行为[19]。Ozsin等人发现，当PVC与樱桃核共热解时，由于PVC热裂解产生的多种小分子物质，反应过程发生了变化[20]。此外，其他研究表明，共热解可以大幅减少PVC热解产物中的HCl排放[21]。这些发现表明，共热解方法可以通过改变热解行为来促进PVC废物的处理，同时提高热反应效率并降低热反应温度。因此，有理由假设将PVC加入废弃NCM正极LIBs的热处理中，可以改变反应路径，从而降低所需的反应温度，提高金属回收效率，并减轻PVC废物污染。除了所提出策略的可行性外，还应阐明其背后的反应机制，为工业应用提供理论基础。密度泛函理论（DFT）计算已成为研究LIBs正极材料（如LiCoO2和NCM）吸附特性的关键工具。这种理论方法有助于阐明电池材料与电解质之间的界面反应机制，从而指导材料设计[22]。DFT计算还能够预测和理解正极材料的回收机制[23]、[24]、[25]。因此，本研究利用DFT计算来深入理解NCM和PVC共热解过程中金属的回收机制。
基于以上考虑，提出了一种结合NCM正极材料和PVC的共热解方法，旨在在相对较低的温度下实现高效金属回收，同时减轻PVC塑料污染。本研究系统地研究了NCM与PVC的质量比、热解温度和反应时间对共热解过程的影响。分析了热解产物和金属晶体相，以阐明共热解行为。通过研究NCM晶体与PVC分子之间的吸附配置和相互作用，应用DFT计算来探索共热解机制。作为金属回收的实际应用，制备了再生的NCM正极材料。进行了Rietveld精修以及循环性能和倍率性能测试，以表征晶体结构并评估再生NCM的电化学性能。本研究提出的回收策略旨在实现高效且成本效益高的NCM回收，同时减少塑料污染。
