华科大黄云辉
锂离子电池（LIBs）因其在电动汽车（EVs）和固定式电池储能系统（BESS）等领域的广泛应用，成为了现代能源存储的核心材料。与传统的铅酸电池相比，LIBs具有更高的能量密度、长寿命和更轻的重量等优点，因而在可再生能源储存和电动交通工具中扮演着重要角色。然而，随着电池的大规模生产和使用，废旧LIBs的回收问题逐渐凸显。废旧电池中含有丰富的金属和资源，如果不加以回收，将会对环境造成极大的负担。因此，如何实现高效、低能耗的锂电池回收，成为当前亟待解决的科学问题。
为了解决这些问题，同济大学王超特聘研究员团队、李洒副研究员；麻省理工学院李巨教授和华中科技大学黄云辉教授等人携手在Nature Sustainability期刊上发表了题为“Electrode separation via water electrolysis for sustainable battery recycling”的最新论文。材料学院2024级博士生杨方舟为论文第一作者。
该团队设计了一种基于水电解诱导分离（WES）的方法，用于高效分离废旧电池中的电极材料和集流体。该方法利用水分解产生的氢气或氧气气泡，在短时间内高效分离锂电池中的正负极材料。研究表明，该方法在10 mA cm⁻²的电流密度下，能够在34秒内回收99.5%的LiFePO₄材料，在3秒内回收石墨材料，且金属杂质含量低于40 ppm，能耗仅为11和1.1 kJ kg_cell⁻¹，表现出极低的能耗和出色的回收效果。
通过该方法回收的电极材料能够通过补锂工艺制备干电极，避免了传统回收方法中使用有毒溶剂如N-甲基吡咯烷酮（NMP）的需求，有效提高了环保性。此外，研究还表明，WES方法在能耗和废弃物生成方面显著优于当前工业回收方法，为电池回收行业提供了一个高效且可持续的解决方案。
（1）实验首次提出水电解诱导分离（WES）方法，实现了锂离子电池（LIBs）中电极材料与集流体的快速高效分离。该方法通过在水电解过程中产生的气体（OER 或 HER）在电极界面形成气泡，从而完成材料脱附，不依赖有机溶剂或强酸碱，仅使用水和电能，过程环保且能耗低。对于LiFePO₄和石墨材料，WES方法分别在34秒和3秒内完成分离，材料回收率达99.5%，金属杂质低于40 ppm，同时可实现100%金属箔片的完整回收。
（2）实验通过将分离得到的黑质直接用于干法电极重制，显著简化了回收材料的再利用过程。由于黑质中活性材料与导电剂已高效混合，省去了额外的研磨和分散步骤，极大降低了能耗。最终制备的SP-LFP||SP-Gr干电极在电化学性能上可与新制商用电极媲美。
（3）实验还通过Everbatt生命周期分析，对比了本方法与传统工业回收技术（如湿法或火法冶金），结果显示WES与干法电极结合的策略在能耗、废弃物产生和处理时间等方面均具有显著优势。
图1：采用WES方法分离磷酸铁锂（LFP）正极材料。
图2：采用不同构型LFP电极对WES工艺的表征结果。
图3：采用WES方法分离石墨负极的表征结果
图4：采用回收黑粉制备的干法电极表征结果。
图5：不同回收方法的环境与经济性分析。
本文的研究为锂离子电池（LIBs）的回收提供了一种创新的解决方案，揭示了水电解诱导分离（WES）技术在高效分离电极材料与集流体中的巨大潜力。传统回收方法面临高能耗、环境污染和复杂工艺等挑战，而WES方法通过利用水电解产生的气体，简化了回收过程并显著降低了能量消耗。研究还指出，结合干法电极重制工艺，不仅提高了材料的回收率和纯度，还避免了有毒溶剂的使用，进一步提升了环保性和可持续性。
这一成果表明，创新的回收技术不仅可以提升资源利用效率，还能有效减少电池回收过程中的环境负担。更重要的是，WES方法的多功能性和高适应性为其他类型电池的回收，如钠离子电池、锌离子电池等，提供了可行的参考。这为推动电池产业的绿色循环经济提供了重要的理论依据和技术支持，启示我们在面对环境挑战时，创新思维与技术结合的重要性，以及开发低能耗、高效且环保的回收技术对于实现可持续发展的深远意义。