过去十年中，全球锂离子电池（LIBs）的消耗量呈爆炸性增长，尤其是由于电动汽车和可再生能源存储技术的广泛应用。因此，大量报废的LIBs给环境带来了越来越大的压力和资源浪费。据估计，全球废弃锂离子电池的总量从2019年的17万吨增加到2030年的122万吨（图1a-c）[1]，[2]，[3]。目前，全球只有大约5%的LIBs得到了有效回收，远低于废弃电池的比例[4]，[5]。目前常用的四种主要LIBs正极材料包括磷酸铁锂（LFP，LiFePO4）、钴酸锂（LCO，LiCoO2）、锰酸锂（LMO，LiMn2O4）和三元锂电池（如NCM523、NCM622、NCM811和NCM811）[6]。这些正极材料含有高价值的金属，如锂（Li）、钴（Co）、锰（Mn）和镍（Ni）。回收这些有价值的金属可以有效减少对初级矿产资源的依赖[7]，[8]。同时，废弃LIBs中含有许多有害物质，如重金属和有毒有机化合物。如果管理不当，这些物质可能对生态系统造成风险并对人类健康构成严重威胁[9]，[10]。最近，一些国家政策，如《中国新能源汽车动力蓄电池回收利用体系建设行动计划》[11]和《2021年美国电池和关键矿物回收法案》[12]，加速了强制性和大规模电池回收框架的建立。这些发展凸显了对先进、高效和环境可持续回收技术的迫切需求。在日益严格的监管和资源供应压力下，回收废弃LIBs不仅能够减轻不当处理带来的环境风险，还能减少对初级原材料的依赖，为电池材料的循环经济发挥重要作用[13]，[14]。
目前，废弃LIBs正极材料的回收依赖于多种工艺，包括机械破碎和分离、火法冶金、湿法冶金和生物浸出[17]，[18]，[19]，[20]。机械破碎和分离是典型的前端预处理技术。火法和湿法冶金技术是目前商业规模回收中应用较为成熟的方法[21]，[22]。传统的火法和湿法冶金工艺存在一些缺点，如能耗高、设备要求复杂、运营成本高以及大规模废物排放（图1d）[23]，[24]，[25]。在这种背景下，生物浸出技术逐渐受到关注[17]，[26]，[27]，[28]。生物浸出可以利用微生物代谢产生的生物无机酸（例如硫酸）和有机酸（例如柠檬酸和草酸）来回收废弃LIBs中的金属[29]。与传统浸出技术相比，生物浸出具有低成本、低能耗、工艺操作简单和二次污染少的显著优势[30]。在一项比较同等浓度下生物来源和化学合成有机酸的研究中，生物浸出系统不仅实现了相当的金属回收率，还提高了下游金属沉淀效率，同时减少了与pH中和和试剂添加相关的环境负担[31]，[32]。经济分析表明，处理每年1万吨黑质材料的生物浸出可实现约21%的利润率，尽管LIB的获取和运输占据了大部分成本[33]。更重要的是，与火法和湿法冶金路线相比，生物浸出可将运营成本降低24-30%，碳排放降低70-80%[34]。因此，生物浸出在废弃LIBs回收方面显示出广阔的发展前景，并引起了广泛关注。
生物浸出的实际应用仍然具有挑战性，因为微生物过程对环境波动敏感，导致动力学不稳定和效率有限[5]，[35]。在微生物因素方面，不同类型的微生物在生物浸出过程中扮演不同的角色，它们的协同作用可以提高金属浸出效率。温度、pH值、氧气可用性和营养供应等环境参数对微生物生长和代谢有重要影响，从而影响整体生物浸出性能[17]，[36]，[37]。因此，全面分析各种因素对生物浸出过程和金属浸出动力学的影响对于优化生物浸出过程、提高浸出效率和增强过程稳定性具有重要意义。
已有几篇综述探讨了废弃LIBs的生物浸出技术[34]，[38]，[39]。然而，大多数研究仅关注在特定条件下的浸出效率，而微生物代谢、环境参数和操作条件之间的协同和拮抗作用对过程稳定性和可重复性的影响尚未得到充分探讨。目前仍缺乏对生物参数和环境条件如何协同或拮抗作用以确定最终金属回收率的系统理解。这一知识空白使得难以可靠地预测、控制和优化生物浸出过程，从而阻碍了其从实验室规模向工业应用的扩展。与主要列举浸出效率的以往综述不同，这篇综合综述旨在通过提供控制生物浸出性能的关键因素的系统性和分析性综合，填补这一关键空白。通过结合过程层面的考虑，本文建立了一个统一的分析框架，将基本的生物浸出机制与实际工程挑战联系起来。此外，我们提出了提高金属回收的有效策略。通过整合分散的知识并提供关于协同浸出系统和智能控制的前瞻性观点，本文旨在为将生物浸出从有前景的实验室技术转变为一种稳健、可预测且经济可行的可持续电池回收技术提供坚实的理论基础。
