近日，国科大杭州高等研究院（以下简称“杭高院”）环境学院2025级博士研究生刘娅在Environmental Science & Technology上发表题为“Dissolution Behavior of Lithium-Ion Battery Cathode Materials in Aquatic System: Key Drivers and Molecular Mechanisms”的研究论文。该研究首次系统建立了“NCM材料组成—环境条件—金属释放—分子机制”之间的关联框架，为废弃锂电池环境风险评估、污染控制及绿色电池材料设计提供了重要理论依据，也为未来锂电池全生命周期环境管理提供了新的科学支撑。

◆ES&T副封面

◆文章信息

随着新能源汽车与储能产业的迅速发展，锂离子电池（LIBs）已成为推动全球能源转型的重要支撑技术。然而，大量退役锂电池正在不断进入环境，其带来的潜在生态风险逐渐受到关注。尤其是三元锂电池广泛使用的NCM正极材料（LiNi_xCo_yMn_1-x-yO₂），由于富含镍、钴、锰等活性过渡金属，在环境中可能发生金属释放与迁移，但其在真实水环境中的溶解规律及作用机制仍缺乏系统研究。

针对这一科学问题，本研究系统选取了目前商业化应用较为广泛的四类NCM正极材料(NCM111、NCM523、NCM622与NCM811)，在不同pH、温度、盐度、腐殖酸及有机配体条件下，开展了材料溶解行为研究。结果表明，锂离子在各种环境体系中均表现出较高溶解性，释放比例普遍超过80%，显示出极强的环境迁移潜力；相比之下，镍、钴、锰等过渡金属总体释放比例较低，但其释放过程对环境条件高度敏感。其中，酸性条件与柠檬酸等小分子有机酸可显著促进Ni²⁺与Co²⁺释放，而高盐环境则会明显抑制过渡金属溶解。进一步研究发现，不同NCM材料之间的稳定性也存在明显差异：结构稳定性较高的NCM111整体溶解程度最低，而高镍、低结构稳定性的NCM811则更容易发生金属释放，表现出更高的环境风险。为进一步揭示环境因素调控金属释放的内在机制，本研究结合密度泛函理论（DFT）与计算氢电极（CHE）模型，从原子尺度系统解析了环境因子对材料溶解自由能（ΔG）的影响。理论结果表明，酸性环境可通过增强质子攻击作用破坏TM−O键结构，而有机酸则能够通过络合作用降低金属溶解能垒，进一步促进金属迁移与释放。此外，研究团队还利用垃圾渗滤液、地下水、河水、湖水、海水及雨水等六类典型真实环境水体进行了验证实验，结果发现垃圾渗滤液与海水体系中Ni²⁺和Co²⁺释放最为明显，说明复杂环境介质会显著影响废弃锂电池材料的环境行为。

◆论文摘要图

该论文通讯作者为赵斌教授工作室刘寅副研究员和张海燕教授工作室杨学志副研究员。该论文得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划以及杭州高等研究院科研基金等项目支持。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.5c12432