锂离子电池作为一种高效、环保的电能储存载体,在大规模储能装置、手机等消费电子及动力电池等领域广泛应用。随着近年来我国新能源汽车产业蓬勃发展,动力电池需求和产量不断攀升。由于锂离子电池的有限生命周期及电子产品更新换代的加剧,造成了服役后的废旧电池数量的急剧增加。废旧锂离子电池中富含锂和钴等战略金属,极具回收价值,同时电池中电解液及重金属等有害物质对环境产生潜在威胁,对其资源化回收具有重要的资源和环保意义。近年来为鼓励废旧锂离子电池回收行业发展,国家多部委相继出台政策,逐步推动废旧锂离子电池回收利用进入规范化、产业化阶段。在废旧锂离子电池资源化回收过程中,电极材料的高效冶炼是实现有价组分回收再利用的关键环节。本研究以废旧三元锂离子电池电极材料有价金属高效回收利用为目标,针对传统冶炼提纯工艺流程复杂,且物料外部加热方式造成浸出反应受阻,传热和传质困难等问题,基于表面和微观性质研究深入剖析了三元电极材料难以解离和冶炼回收机理,提出了微波辅助电极材料碳热还原和浸出协同手段,构建了基于还原焙烧、化学浸提及正极材料原位再生的有价金属提取与转化的技术体系,阐明了资源化回收过程中物相的耗散行为和转移机制,重点研究了微波辅助电极材料有价金属协同回收及控制过程关键科学问题,主要取得了以下研究成果:首先,基于表面和微观性质研究明晰了废旧三元锂离子电池电极材料的资源属性,揭示了电极材料解离和浸出困难的内在原因;废旧正极材料活性物质Li Ni0.5Co0.2Mn0.3O2中高价态过渡金属元素在电极材料中结构稳定、化学键断裂困难,且有机粘结剂PVDF的表面包覆造成电极材料难以解离和冶炼回收,利用微波对物料加热的整体性和均匀性优势,及其对极性分子的激活、极化效应,强化电极材料还原焙烧及浸出过程中金属离子迁移和转化效率。揭示了电极材料在微波场中的升温行为和调控机理,微波功率和单位物料质量是影响电极材料在微波场中受热行为的主要因素,升温速率的提升可使负极材料石墨产生局部高温,有效促进其对金属元素的还原能力。通过组贡献法求得了Li Ni0.5Co0.2Mn0.3O2的基础热力学数据,基于热力学计算从理论层面阐明了电极材料还原焙烧反应过程的方向和限度,Li Ni0.5Co0.2Mn0.3O2与石墨的还原焙烧反应在温度达到755°C后理论上可行,反应向着金属氧化物或单质生成的方向进行。其次,从动态层面揭示了还原焙烧过程中电极材料物相耗散行为和转移机制,阐明了过渡金属的还原路径及晶体结构的演化机理,探明了关键因素对电极材料还原焙烧行为的影响规律。基于热失重行为和定性分析探明了电极材料碳热还原过程中物相变化的3个阶段,依次为120°C前电解质和有机溶剂脱除阶段,400-600°C粘结剂PVDF分解阶段,700°C以上正极材料与石墨碳热还原反应阶段;借助原位物相分析技术揭示了固相反应过程相变规律,还原焙烧过程中,正极材料随温度升高晶体结构有序度不断降低,阳离子混排程度不断提高,层状结构变差,当温度达到800°C时Li Ni0.5Co0.2Mn0.3O2物相完全消失,逐渐生成过渡金属氧化物和单质和Li2CO3;与此同时,过渡金属Ni、Co和Mn价态逐渐降低至+2价或单质价态;由于粘结剂PVDF的脱除,电极材料颗粒团聚现象减弱,颗粒间解离度显著提高。微波辅助还原焙烧参数对电极材料过渡金属还原和有机质解离最佳条件为:恒温温度900°C,恒温时间25 min,负极材料掺入量10%,此时Ni、Co、Mn的还原率分别达到94.86%、92.45%和88.76%。再次,探明了微波辅助电极材料浸出特性与强化机理,研发了正极材料中金属离子溶出的优化条件。利用Box Behnken响应面法分析了关键操作因素对电极材料浸出效果的影响规律,建立了Li、Ni、Co、Mn浸出率与独立变量之间的二次模型Y=β0+β1X1+β2X2+β3X3+β12X1X2+β13X1X3+β23X2X3+β11 X12+β22X22+β33 X32;通过对浸出模型最优值的预测和验证,得到微波辅助电极材料浸出最佳工艺条件为:微波功率640 W、搅拌转速500 rpm、反应时间35 min;在此条件下,Ni、Co、Mn和Li的浸出率为97.84%、98.01%、98.16%和98.29%。从浸出过程的动力学基本原理出发,基于固液非均相反应体系特性和能量平衡关系,建立了该过程的动态数学模型1-(1-（3）-1/3-1/3 ln(1-（3）=,利用实验分析和辨识手段确定了模型参数,并以实际浸出数据和残余物的微观性质表征对模型的有效性和泛化性进行了验证;基于模型参数和Arrhenius方程确定了金属元素浸出表观活化能Ea,阐明了电极材料浸出过程受化学反应和扩散混合控制;揭示了微波对电极材料极性分子的激活作用,促使活化分子数提高,有效碰撞次数增加,反应活化能被降低,在此作用下改善了固液反应动力学条件,电极材料酸浸行为被有效促进。最后,在充分掌握电极材料还原焙烧和浸出提效和机制基础上,以浸出液为对象通过溶胶-凝胶法实现了Li Ni1/3Co1/3Mn1/3O2三元材料的再生;研究表明,再生材料具有良好的层状α-NaFeO2结构和R（?）m空间群,且材料内部晶格条纹清晰有序,晶格发育完整。再生材料的首周放电容量达到157.5 m Ahg-1,库伦效率为74.6%,经160周循环周期后可逆容量仍保持为137.2 mAhg-1,容量保持率高达87.1%,循环过程中的库伦效率都在99%以上;经多次充放电后放电平台电压仍保持在3.7 V左右。与商品化锂离子电池相比,本研究合成的电极材料电化学性能达到产品指标,具有工业推广前景。通过还原焙烧、浸出及再生循环工艺所制备的三元电极材料表现出优异的电化学性能,本工艺具有较高的理论实用价值。论文共包含89幅图,23个表,182篇参考文献。