近年来,在绿色环保的时代背景下,我国新能源汽车产业发展迅速,已成为全球最大的新能源汽车市场。而用于新能源汽车的动力锂电池的使用年限一般是五到八年,即将进入大规模的报废期。失效三元锂离子电池中含有丰富的有价金属以及多种有毒污染物,无论是对于保护环境还是解决资源受制于人的困境,失效三元锂离子电池的清洁回收都具有重要意义。然而,传统的湿法工艺存在锂回收率低、化学试剂用量大、浸出液净化复杂、有价金属分离流程长、产生大量高盐有机废水和多种危废渣等问题。本论文针对传统湿法工艺中存在的技术难题展开研究,开发了失效三元锂离子电池高效回收新工艺,并开展相关的基础研究。研究内容与主要结论如下:针对经预处理分选后得到的失效三元锂电材料,提出了石墨自还原焙烧-碳酸化水浸提锂-氧化氨浸的新工艺。首先研究了焙烧温度、石墨含量、焙烧时间对有价金属相转化与浸出效果的影响规律。结果表明在温度为750℃、石墨与正极材料质量比为22.5 wt.%、焙烧时间为2.5 h的最优条件下,正极材料完全解离并还原为碳酸锂、单质镍、单质钴和一氧化锰。同时研究发现失效三元锂电材料中的铝在高温下易与碳酸锂反应生成不溶于水的铝酸锂,进而降低碳酸化水浸过程中锂的浸出率,失效三元锂电材料中铝含量应控制在3.0 wt.%以下。通过XRD、SEM-EDS和XPS等表征技术明晰了自还原焙烧过程中正极材料的相转化机理。焙烧产物通过碳酸化水浸工艺可选择性和高效地回收锂,锂浸出率可达到92.8%,含锂浸出液经净化后通过简单的热分解可制备电池级碳酸锂产品。通过单因素条件实验考察了不同氧化氨浸条件对碳酸化水浸渣中有价金属浸出率的影响。在碳酸铵浓度2.5 mol/L、氨浓度10mol/L、液固比8mL/g、常温、浸出时间6h、氧气作为氧化剂的最优浸出工艺参数下,镍和钴的浸出率均达到98%以上,而锰、铝、铁等其它元素均完全不浸出。结果表明氧化氨浸具有对目标金属（镍和钴）和非目标金属（锰、铝、铁等）的选择性浸出特性。氨浸过程动力学研究结果表明氧化氨浸过程中镍和钴的浸出速率受化学反应控制。在小型试验基础上,开展了自还原焙烧-碳酸化水浸-氧化氨浸联合工艺回收失效三元锂电材料的扩大试验研究。接着,采用Mextral 984H为萃取剂对氨浸液进行了溶剂萃取分离镍和钴的研究。研究结果表明在萃取镍的过程中钴完全不被萃取,但会有部分氨共萃。镍萃取的最优操作工艺参数为萃取剂浓度30vol.%、萃取相比3.5:1和萃取时间3 min。氨洗涤的最优操作工艺参数为硫酸浓度10 g/L、洗涤相比1:1和洗涤时间3 min。经过两级萃取、两级洗涤和三级反萃后,氨浸液中99%以上的镍被回收并制备了高纯硫酸镍产品。含钴萃余液采用还原蒸氨工艺沉钴,仅蒸发35 vol.%左右的水就可沉淀90%以上的钴,钴沉淀经过焙烧后制备了四氧化三钴产品。蒸氨过程中挥发的氨、碳酸铵的分解产物以及蒸氨余液可被回收并返回氨浸过程循环使用,实现了浸出剂的近零消耗。对还原焙烧和浸出过程以及产品制备过程中氟和磷的走向进行了研究,结果表明氟和磷进入最终产品中的量较少,对产品的品质基本不产生影响。上述回收工艺处理对象为经过预处理分选后得到的失效三元锂电材料。针对预处理分选过程造成的铜铝箔和活性材料互含严重问题,提出了失效三元锂离子全电池免预分选回收工艺。失效锂离子全电池在淀粉用量为17.5 wt.%和温度为600℃下焙烧0.5 h,正极材料解离并被还原为碳酸锂、单质镍、单质钴和一氧化锰,铜铝箔不参与反应。焙烧过程中石墨和难以经济回收的隔膜和电解液等有机物也可作为还原剂。焙烧产物经过碳酸化水浸可优先浸出82%的锂,碳酸化水浸渣通过氧化氨浸可选择性浸出98%以上的镍、铜和钴。氨浸液通过溶剂萃取可有效地分离镍、铜和钴。氨浸渣可通过简单的筛分分离铝箔和富锰石墨渣。该工艺简化了预处理过程,提高了有价金属的综合回收率。相比失效三元锂离子电池的传统湿法和火法回收工艺,本论文提出的还原焙烧-碳酸化水浸-氧化氨浸组合新工艺具有有价金属回收率高、产品附加值高、绿色环保、三废产出量少和回收成本低等突出优势,符合原子经济的基本思路,具有良好的推广应用前景。