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本论文研究内容为中央企业电动车产业联盟共性技术项目“电池的回收再利用技术研究”,长沙矿冶研究院有限责任公司技术创新重点项目“废旧锂离子电池免拆解直接还原熔炼-湿法浸出分离回收有价金属技术开发及工业示范应用(I)”的一部分,以典型的铝壳锂离子电池、无Mn聚合物锂离子电池和含Mn(Mn≥20wt.%)聚合物锂离子电池、含Cr钢壳锂离子电池四种类型电池为对象,采用Factsage热力学模拟计算软件分析还原熔炼过程中主要元素的反应行为,开展退役锂离子电池直接还原熔炼回收有价金属(铜、钴、镍等)的工艺技术研究,XRD和SEM-EDS分析炉渣的组成及结构,获得如下研究结论：(1)废旧锂离子电池还原熔炼处理,Co、Ni、Cu是回收再利用的目标元素；Al、Mn、Cr是影响还原熔炼效果的关键元素；氧分压和熔炼温度是影响熔炼效果的关键因素。含锰聚合物锂离子电池宜采用较高氧分压熔炼,使Mn主要以MnO形式进入炉渣中；含Cr钢壳锂离子电池宜采用较低氧分压熔炼,使Cr进入合金中,确保渣中CrO (Cr2O3)含量不影响炉渣粘度。含铝或锰高的锂离子电池更适宜于采用FeO-SiO2-Al2O3渣型熔炼。(2)各种类型废旧锂离子电池采用CaO-SiO2-Al2O3渣型还原熔炼,均可取得理想的有价金属回收率指标,熔炼的合适炉渣组成为CaO/SiO2值0.83～1.28 (w/w),Al2O3含量8.44～13.33 wt.%, MgO含量4.0～7.5wt.%。钢壳锂离子电池中Cr大部分进入合金中；聚合物锂离子电池中的Mn主要进入炉渣中。10千克级中频感应炉试验很好地重复了小型试验结果,最佳工艺条件(造渣剂用量5.0(w/w),造渣剂中CaO/SiO2(w/w)=1.50,熔炼温度1500℃,熔炼时间40min)下,Co、Ni、Cu回收率分别为99.01%、99.22%、97.33%。(3)铝或锰含量较高的废旧锂离子电池适宜采用FeO-SiO2-Al2O3渣型还原熔炼,合理渣型组成为FeO/SiO2=0.58～1.03 (w/w)或(FeO+MnO)/SiO2=0.50～1.08 (w/w), Al2O3含量为17-22wt.%,在最佳熔炼条件下(熔炼温度1450℃,熔炼时间15-30min)小型熔炼试验Co、Ni、Cu的回收率均超过95%。10千克级中频感应炉熔炼试验很好地重复了小型试验结果,最佳工艺条件下,废旧铝壳锂离子电池中Co、Ni、Cu回收率分别为97.21%、98.93%、93.60%。(4)废旧铝壳锂离子电池采用FeO-SiO2-Al2O3渣型还原熔炼,以铜渣作造渣剂,产出炉渣的主要矿物成分为铁橄榄石和铁铝尖晶石,渣中铜主要以冰铜形式存在,炉渣中铜的损失与铁橄榄石结构密切相关,为了使炉渣中铜损失低,铁橄榄石应以细粒不连续状存在。(5)废旧铝壳锂离子电池采用低温焙烧-高温还原熔炼处理(10千克级中频感应炉试验),最佳工艺条件为：造渣剂用量为铝壳电池质量的3.0倍,焙烧温度800℃,焙烧时间70min;熔炼温度1450℃,熔炼时间20min,合金中Co、Ni、Cu回收率分别达到95.19%、96.58%、90.93%。(6)废旧锂离子电池FeO-SiO2-Al2O3渣型还原熔炼,炉渣起泡现象明显,这有利于熔体的传质、传热,但存在安全风险。采取低温焙烧-高温还原熔炼两段工艺和优化渣型组成(添加一定量CaO)可以有效抑制剧烈的炉渣起泡行为,在焙烧温度900℃或渣CaO/SiO2值=0.54(w/w)时,炉渣的起泡行为可控制到合理水平。