锂离子电池（LIBs）作为储能技术的基石，凭借其高能量密度、比能量和优异的可充电性，为从便携式电子产品到电动汽车（EVs）及大规模电网储能系统等广泛应用领域提供动力[1,2]。随着该技术尤其在快速发展的电动汽车领域的大规模应用，锂离子电池产量急剧上升，进而导致即将面临大量退役电池需进行负责任管理的问题[3,4]。建立涵盖收集、拆解和材料回收的锂离子电池闭环全生命周期管理体系，已成为全球面临的关键挑战[[5], [6], [7]]。高效回收能显著降低对锂（Li）、钴（Co）、镍（Ni）等关键金属原生资源开采（常伴随环境与地缘政治问题）的依赖，从而支撑清洁能源技术的可持续规模化发展[8,9]。 然而，锂离子电池（LIBs）复杂的多组分特性，尤其是正极材料，使得有价值元素的高效分离与回收变得困难[10]。报废磷酸铁锂（LFP）电池经过放电拆解后，通常采用湿法冶金工艺[11,12]进行处理双极膜离子蒸馏该工艺涉及酸浸（例如使用H2SO4溶解正极材料，产生富含锂（Li+和铁（Fe2+），通常伴随残留酸（H+）及其他潜在杂质[13,14]。从化学性质相似的铁离子（Fe+）中分离锂离子（Li2+）是一个主要瓶颈，因为铁离子在溶液中浓度显著。此外，现有回收工艺还面临环境影响、流程复杂性、能耗及成本等方面的重大挑战[15,16]。 传统湿法冶金工艺通常依赖沉淀法，即通过添加碱使铁离子沉淀，从而使氢氧化锂或碳酸锂保留在溶液中[17,18]。然而，该方法会产生大量污泥，消耗大量化学试剂，且常导致共沉淀现象，降低锂的收率与纯度。此外，所得锂产品往往需要进一步纯化步骤才能满足严格的电池级规格要求。已有研究探索了溶剂萃取和吸附等替代技术[19]。溶剂萃取工艺流程通常需要多级操作（分离、反萃/逆萃取、沉淀/转化以及精制），虽然表现出优异的锂选择性，但不可避免地会导致锂损失和间歇性生产。此外，该工艺涉及含有危险溶剂的复杂有机相体系，会造成溶剂挥发损失[20]。吸附法尽管前景广阔，却需要大量淡水和酸进行洗脱再生，从而导致二次污染[21]。更重要的是，许多吸附剂在含H+等竞争性离子的强酸性浸出液中，其选择性和吸附容量都会显著下降。+，阻碍了长期运行稳定性和产品纯度[22,23]。包括电渗析(ED)、选择性电渗析(SED)和双极膜电渗析(BMED)在内的膜工艺，也分别被研究用于锂的浓缩、提取和转化[24]。与溶剂萃取相比，这些方法避免了额外化学试剂的消耗，同时允许连续操作。然而，商用单/多阳离子选择性膜(如Li+/Co2+分离因子为1.25 [25]），需要整合多级和多膜操作以获得电池级锂产品（LiOH和Li2CO3）。这进而导致能耗增加和锂损失[26,27]。例如，SED-BMED集成系统中的锂收率低于60%[28]。因此，开发具有更优选择性、效率和环境绩效的新一代绿色锂回收技术至关重要。 针对这些局限性，文献[29]提出了一种名为“离子蒸馏”的新型电膜工艺。该技术采用多级堆叠构型，通过将多个相同离子交换膜依次排列，利用离子在膜间传输速率的细微差异，结合多级放大效应，可实现极高的选择性。初步研究结果验证了该方法对锂+与镁分离的可行性2+在盐湖卤水中实现了26,177的空前选择性，同时克服了传统膜工艺中观察到的选择性与离子通量之间的常规权衡[29]。这一成功表明离子蒸馏技术可能适用于其他具有挑战性的分离任务，包括锂离子电池回收[30,31]。 本研究拓展了"离子蒸馏"概念，将其应用于模拟磷酸铁锂电池酸浸出液中锂铁分离这一极具挑战性的关键问题。%%通过在电渗析堆栈终端集成双极膜（BPMs），%%这种特殊离子交换膜能高效解离水分子产生氢%%与氢氧根离子%%有效缓解了电渗析膜堆中的结垢、浓差极化和极限电流密度等问题[32,33]。通过耦合选择性多级电渗析工艺与双极膜技术，实现了锂离子的高效提纯。+双极膜离子蒸馏2+“同侧同膜”(IMSS)堆叠结构+原位−OH+的生成。基于双极膜(BPM)，我们的目标是在最终产物室中直接合成高纯度电池级氢氧化锂(LiOH)。这项创新技术将双极膜集成于离子定向(ID)膜堆中，有效结合了高单价/多价离子选择性与原位锂盐转化的双重优势。该技术通过中和H酸性浸出液中的离子，减少质子反向迁移和堆叠电阻，并进一步提高锂浓度。该方法同时解决了实现单价/多性向离子分离与转化高选择性的挑战，同时控制废电池浸出过程中共价离子的竞争性迁移。与此同时，BPM产生的H+可与硫酸根离子（SO从料液中迁出，并可能再生硫酸以供初始浸出步骤循环利用，从而构建更具循环性与可持续性的工艺。总体而言，BPM-ID技术克服了溶剂-反溶剂回收、多级SED以及集成SED-BMED工艺中常见的化学试剂过量消耗、操作不连续、产物纯度低及锂损失等问题。本研究系统考察了新型双极膜离子蒸馏（BPM-ID）系统的性能参数、级数及操作电流密度对锂−双极膜离子蒸馏技术实现了显著的Li+选择性、离子通量、产品纯度及整体工艺效率。本研究提出了一种创新性非对称膜堆构型，该构型通过将一张阴离子交换膜与四张阳离子交换膜耦合，实现不同离子蒸馏室中离子电中性的解耦，从而突破了特定能耗与离子选择性之间的trade-off。通过这种环保创新工艺直接从复杂浸出液中制备电池级LiOH的可行性得到了系统评估。+ generated by the BPM can combine with sulfate ions (SO42−) migrating from the feed, potentially regenerating sulfuric acid for reuse in the initial leaching step, thus creating a more circular and sustainable process. Overall, BPM-ID overcomes common issues such as excessive consumption of chemical agents, discontinuous operation, low product purity, and lithium losses associated with solvent-reverse solvent recycling, multi-stage SED, and integrated SED-BMED processes. We systematically investigate the performance of this novel bipolar membrane ion-distillation (BPM-ID) system, number of stages, and operating current density on Li+/Fe2+ selectivity, ion flux, product purity, and overall process efficiency. An innovative asymmetric membrane stack configuration is proposed, wherein one anion exchange membrane is coupled with four cation exchange membranes to decouple the electroneutrality of ions within different ion-distillation chambers, thereby overcoming the trade-off between specific energy consumption and ion selectivity. The feasibility of producing battery-grade LiOH directly from complex leachate solutions using this innovative, environmentally conscious approach is thoroughly evaluated.
