華科黃云輝、姚永剛AEM綜述：基于快速高溫技術的廢舊電池材料循環利用研究進展

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【研究背景】

鋰離子電池回收不僅能避免廢棄電池引起的環境污染問題，而且對于實現關鍵電池材料的閉環制造至關重要。傳統的結構破壞式元素循環策略，以火法和濕法冶金回收技術為代表，普遍存在高能耗和高污染的問題，尤其是面對大規模廢舊電池的回收時，該問題尤為突出。相比之下，直接材料回收策略旨在修復失效材料的結構和性能，實現材料的循環利用，是一種高效且環境友好的替代方案。此外，電池活性材料的失效形式主要表現為表面相變、界面連接失效、顆粒內部原子尺度缺陷等，其結構修復是實現材料性能再生的關鍵。然而，廢舊材料的組成復雜且同時存在多種失效機制，實現其高效且精準的直接回收仍存在巨大挑戰。

快速高溫回收技術具有突出的技術優勢，例如：（1）超快的反應動力學：極高的溫度提供了足夠的能量驅動化學反應；（2）極短的反應時間：通過界面、表面或相界面的時空限域反應，制備動力學中間態產物，實現材料結構的靶向再生或升級；（3）能耗低、效率高且碳排放量低，使得其在鋰離子電池材料循環利用領域發展迅速且得到了廣泛的應用。然而，快速高溫回收技術的前期研究仍缺乏系統地總結和歸納，同時由于失效電池材料的復雜性以及電池級活性材料的高標準要求，使得快速高溫回收技術在實際工業應用中仍充滿挑戰。

【內容簡介】

近日，華中科技大學黃云輝教授、姚永剛教授等人，在Advanced Energy Materials上發表了題為“Kinetics dominated, interface targeted rapid heating for battery material rejuvenation”的綜述，總結了基于快速高溫技術的鋰離子電池回收策略的最新進展，主要內容包括活性材料的高效回收、再生和再利用，重點強調了時空限域的界面化學反應及快速的反應動力學過程；同時，指出了快速高溫回收技術的環境經濟效益優勢，分析了快速高溫回收技術規模化可行性、潛在的商業模式及挑戰；最后，面對日益增長的應用需求，作者概述了快速高溫回收技術的未來重要的發展方向。

【數據概覽】

圖1 （A）廢舊電池材料失效機制的空間分布，（B）快速加熱技術的技術特點和優勢，（C）高溫且低活化能驅動的快速反應動力學，（D）原子擴散距離與時間的關系，（E）基于快速加熱技術的廢舊電池材料循環利用應用

圖2?不同的快速焦耳加熱模式及其控制方法

圖3?基于快速加熱技術的活性材料分離回收

圖4?基于快速加熱技術的廢舊石墨表面SEI重構

圖5?基于快速加熱技術的石墨及鈷酸鋰表面結構修復

圖6?基于快速加熱技術的體相缺陷修復

圖7?快速加熱技術輔助的濕法回收及再制造

圖8?快速加熱技術的規模化裝置示意圖及潛在的工業化路線

圖9?基于快速加熱技術的電池材料循環利用的環境經濟效益分析

【結論與展望】

盡管快速加熱技術在電池材料再利用方面取得了一系列成果，但面對復雜且不斷變化的電池材料體系，其在材料直接回收方面仍處于起步階段且有很大的探索空間。重要的研究方向如下：

（1）快速加熱技術的調控參數多（例如：加熱溫度、加熱時間、加熱周期數以及加熱和冷卻速率等），使得我們很難僅通過一次嘗試就找到最佳的反應參數。因此，我們需要引入人工智能、機器學習方法來加速參數尋優過程。

（2）文獻中報告的退化材料通常只來自一種或同一類型的電池。然而，在大規模應用中，退化的活性材料在形態和尺寸上會有很大差異且存在各種失效狀態（如：不同的鋰含量）。針對混合退化活性材料的一致性再生或升級對其電化學性能至關重要。為了應對這一挑戰，廢舊電池的篩選可能是一種潛在的有效方法，可以根據使用過的電池的物理屬性（如尺寸、重量和形狀）、化學成分（如金屬含量）或電子屬性（如電壓和電阻）對電池進行分類，以減少來料差異。這一過程有助于后續精準的快速加熱再生，從而實現失效材料高效且一致性修復。此外，雖然通過單次快速高溫熱處理難以同時修復多種失效狀態（例如：裂紋、鋰空位和鋰鎳混排、鋰鐵反位），但該技術具有精細的時間和溫度分辨率和獨特的可編程性，可實現動態的溫度調控，有望通過合理設計的多步驟快速熱處理過程逐步修復多種失效機制并存的廢舊活性材料。

（3）廢舊活性材料通常來源于5到10年前生產的電池，在容量、速率等方面落后于當前的商業電池。因此，僅恢復結構和組成的再生活性材料難以滿足當前和未來的應用需求。有必要根據活性材料的發展方向進行升級制造。迄今為止，以金屬化合物為前驅體，基于快速加熱技術已經成功合成了包括單晶三元正極、高熵正極和表面改性活性材料在內的多種先進正極材料。然而，如何以廢舊材料為前驅體，實現升級制造仍缺乏經驗。

（4）考慮到鋰電池巨大的體量，除了高價值的正極和負極活性材料外，其他材料（如電解液、隔膜、集流體等）的回收和再利用對鋰離子電池行業的可持續性也具有重要意義。此外，鈉離子電池、固態鋰離子電池和鋰金屬電池是非常有前景下一代儲能電池。考慮到它們與鋰離子具有相似的結構和組成，目前在鋰離子電池上已取得的經驗和策略或可平行轉移至上述新型電池的回收應用。

Authors:?Hao Zhang#, Yaduo Song#, Jiale Zhao, Zhiheng Cheng, Jinming Guo, Minglei Cao, Haijun Yu, Hao Wang, Long Qie, Lixia Yuan, Yonggang Yao*, and Yunhui Huang*

Title:?Kinetics dominated, interface targeted rapid heating for battery material rejuvenation

Published in:?Advanced Energy Materials, doi: 10.1002/aenm.202404838