综述：可持续且无损的废旧锂离子电池电极分离方法：基础原理、新兴技术及闭环回收体系

《Energy Storage Materials》：Sustainable and non-destructive separation of spent lithium-ion battery electrodes: fundamentals, emerging technologies, and closed-loop recycling

　　

张波|李鹏伟|李俊清|高银义|曹殿学|朱凯

教育部超轻材料与表面技术重点实验室，哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院，哈尔滨150010，中国

摘要

随着电动汽车的快速增长和新兴电池技术的发展，回收报废的锂离子电池（LIBs）已成为一个紧迫的挑战。其中一个核心问题是高效且环保地分离电极活性材料与金属集流体，这从根本上决定了回收效率、产品质量和环境影响。本文全面探讨了用于废旧LIB电极的可持续分离技术的最新进展。首先，我们阐明了传统聚合物粘合剂的界面结合和降解机制，强调了电极分层的基本挑战。随后，我们批判性地评估了四种主要的分离方法：机械法、物理法（如超声波、相变法）、热法和化学法。重点介绍了新兴的绿色化学方法，包括深共晶溶剂（DES）、生物衍生绿色溶剂、有机酸和低能耗场辅助剥离技术，并详细说明了它们的机制和规模化潜力。此外，我们还强调了极具前景的“同时分离-再生/浸出”耦合策略，该方法显著缩短了处理流程并降低了能耗。最后，我们概述了当前在工业应用中面临的挑战，并对易于回收的粘合剂设计以及智能、多场耦合的绿色分离技术的发展提出了展望。本文旨在为废旧LIBs和下一代电池系统的可持续、低碳和闭环升级提供理论框架和技术路线图。

引言

随着全球“双碳”战略目标的深入推进，新能源产业迎来了爆发性增长。锂离子电池（LIBs）凭借其高能量密度、长循环寿命、低自放电率和宽工作温度范围等核心优势，已成为电动汽车（EVs）、便携式电子设备、储能等领域不可或缺的核心组件[1,2]。电动汽车的大规模普及、支持新型电力系统的全球电池储能系统（BESS）的批量建设以及便携式电子设备的快速迭代，共同推动了全球对LIBs需求的大幅增长[3]。根据Statista的数据，全球对LIBs的需求从2020年的185 GWh激增至2024年的685 GWh，并预计到2030年将超过2035 GWh（图1a）[4]。电池产业的迅速扩张使得报废（EOL）LIBs的处理成为一个紧迫问题[5]。这些EOL LIBs涵盖了整个产业链，主要来源于三个主要来源：电动汽车中的退役电源电池、电网侧和用户侧BESS中的退役储能电池以及消费电子产品中的废旧小型LIBs。预计全球废旧LIBs的产量将从2019年的不到17万吨急剧增加到2023年的36万吨，并预计到2030年将增加到超过122万吨（图1b）[6,7]。如果大规模退役的LIBs没有得到标准化处理，不仅会由于电解质、含氟粘合剂和重金属等成分导致严重的土壤和水污染以及消防安全风险，还会造成锂（Li）、镍（Ni）、钴（Co）和锰（Mn）等战略关键金属资源的巨大浪费[8,9]。在初级矿产资源储备有限、金属价格剧烈波动以及全球供应链安全风险加剧的背景下，建立高效、低碳和可持续的闭环回收系统已成为确保新能源产业链安全并实现“双碳”目标的必然选择[10]。

非破坏性回收能够在保持电极材料晶体结构和金属集流体完整性的同时，高效分离电池组件，从而保留其固有的电化学性能[11]。可持续回收追求电池资源的全生命周期闭环利用，实现低能耗、低碳排放和有限的环境影响，平衡资源循环、生态保护和产业链稳定[12,13]。目前，废旧LIBs的主要回收技术大致分为三种方法：火法冶金、湿法冶金和直接再生[14]。火法冶金具有工艺流程短和材料适应性强的特点，是早期工业应用的核心技术，但其存在高能耗、释放有害含氟气体和金属回收率低等固有缺陷[15]。湿法冶金作为当前行业的主流技术，具有良好的浸出选择性和高产品纯度优势，但面临试剂消耗大、废水处理成本高和工艺流程长等痛点[16]。直接再生技术绕过了浸出、纯化和再合成的繁琐步骤，实现了废旧正极材料晶体结构和电化学性质的原位重构[17,18]。生命周期评估结果显示，与生产原始正极材料相比，该技术可减少64%的温室气体排放[19]。在能耗方面，其能耗仅为火法冶金和湿法冶金回收途径的30%和54%[20]。直接再生技术以其简化的工艺流程、低能耗和低碳足迹成为高价值废旧LIBs回收的核心发展方向[21]。

无论是湿法冶金中贵重金属的提取，还是直接再生中材料的性能修复，从铝（Al）箔集流体中高效、非破坏性和绿色地分离正极活性材料，以及从铜（Cu）箔集流体中分离负极活性材料，都是决定回收效率、产品纯度、综合成本和环境负荷的关键环节[22]。作为连接活性材料、导电剂和金属集流体的关键组件，粘合剂的强界面结合是电极分离的核心技术障碍。以PVDF为例，这种主流粘合剂具有优异的化学稳定性和热稳定性，但传统的分离技术通常需要高温热处理、强酸碱腐蚀或高能量机械破碎才能实现分离，这不仅容易损坏集流体、破坏活性材料的晶体结构并损失锂资源，还会伴随有害气体（如HF）的排放和高盐废水的产生等环境问题[23]。同时，随着干电极[24]、硅基复合负极[25]和半固态/全固态电池[26]等新系统的快速工业化，传统分离技术难以适应新的粘合剂系统和复杂的电极结构，迫切需要开发新一代绿色、低损伤和高选择性的电极分离技术。

近年来，国内外学者对废旧LIBs的电极片分离技术进行了广泛而深入的研究，不断涌现出包括新型绿色溶剂系统、物理场强化分离和多工艺耦合在内的创新方法，为分离过程的绿色升级提供了多样化的解决方案。近年来具有代表性的电极片分离技术系统总结在图2中。然而，大多数现有相关综述仍存在明显局限性。它们主要关注单一分离技术的工艺优化[35]，缺乏对粘合剂界面结合和失效机制的全面系统阐述[4,36]。很少有综述对不同技术途径的机制[37]、应用场景和工业化潜力进行系统比较和评估[38,39]。同时，它们对电极片分离与后续材料再生/金属浸出之间的协同适应性讨论不足[40]，也几乎未涉及干电极、半固态和全固态电池的电极分离研究[23]。这使得废旧LIBs的闭环回收工业化难以实现，也无法适应下一代电池技术的回收要求。

基于此，本文以废旧LIB电极片的界面结合特性和分离技术发展为核心主线。首先，系统阐述了电极片的组成/结构、主流粘合剂的界面结合机制和多场景失效规律，明确了电极片分离的核心科学本质。在此基础上，全面梳理了四种主流技术（机械法、物理法、热法和化学法）的机制、研究进展、优缺点。随后，总结了分离与材料再生/金属浸出的同步耦合策略，补充了对新兴LIB系统的研究，并解释了多尺度先进表征在分离机制分析中的支持作用。最后，总结了当前技术的核心工业化挑战，并对未来发展提出了前瞻性展望，为废旧LIBs的高效、低碳、全组分高价值闭环回收提供了理论参考和技术指导。

章节片段

电极片的组成

LIBs的电极片分为正极片和负极片，它们是电化学反应的核心场所。两者都由两个主要成分组成：金属集流体和涂覆在其表面的复合电极涂层。电池中各成分的百分比组成如图1d所示。其中，集流体为电极提供机械支撑和电子传输通道，通常使用铝箔作为

电极片的分离

在废旧LIBs的闭环回收中，电极片分离是连接上游分层拆卸与下游直接材料再生和元素回收的关键技术瓶颈。如图6所示，首先根据外观损伤、电性能和材料系统对 incoming materials 进行检查和分类，然后对受损电池进行深度可控的安全放电。随后进行

先进表征技术

电极片分离过程的本质是一个多尺度耦合过程，涉及粘合剂结构演变、界面结合失效、材料微观结构损伤以及在外场作用下的宏观分层行为。相关机制的研究是针对分离技术、精确工艺调控和工业规模扩大的目标开发的核心理论基础，也是废旧电池领域基础研究的重点

结论与展望

本文聚焦于废旧LIBs的电极片分离——这一电池闭环回收的核心环节，系统阐述了电极片的组成和结构、主流粘合剂的界面结合机制及其在多种外场作用下的定向失效规律。它明确了粘合剂是决定电极分离难度的核心因素，并梳理了不同粘合剂系统之间的适应性差异

CRediT作者贡献声明

张波：撰写——初稿、可视化、形式分析。李鹏伟：撰写——审阅与编辑、监督、形式分析。李俊清：撰写——审阅与编辑、形式分析。高银义：撰写——审阅与编辑、形式分析。曹殿学：撰写——审阅与编辑、形式分析。朱凯：撰写——审阅与编辑、监督、形式分析。