华科黄云辉、姚永刚AEM综述：基于快速高温技术的废旧电池材料循环利用研究进展

【研究背景】

锂离子电池回收不仅能避免废弃电池引起的环境污染问题，而且对于实现关键电池材料的闭环制造至关重要。传统的结构破坏式元素循环策略，以火法和湿法冶金回收技术为代表，普遍存在高能耗和高污染的问题，尤其是面对大规模废旧电池的回收时，该问题尤为突出。相比之下，直接材料回收策略旨在修复失效材料的结构和性能，实现材料的循环利用，是一种高效且环境友好的替代方案。此外，电池活性材料的失效形式主要表现为表面相变、界面连接失效、颗粒内部原子尺度缺陷等，其结构修复是实现材料性能再生的关键。然而，废旧材料的组成复杂且同时存在多种失效机制，实现其高效且精准的直接回收仍存在巨大挑战。

快速高温回收技术具有突出的技术优势，例如：（1）超快的反应动力学：极高的温度提供了足够的能量驱动化学反应；（2）极短的反应时间：通过界面、表面或相界面的时空限域反应，制备动力学中间态产物，实现材料结构的靶向再生或升级；（3）能耗低、效率高且碳排放量低，使得其在锂离子电池材料循环利用领域发展迅速且得到了广泛的应用。然而，快速高温回收技术的前期研究仍缺乏系统地总结和归纳，同时由于失效电池材料的复杂性以及电池级活性材料的高标准要求，使得快速高温回收技术在实际工业应用中仍充满挑战。

【内容简介】

近日，华中滚球体育 大学黄云辉教授、姚永刚教授等人，在Advanced Energy Materials上发表了题为“Kinetics dominated, interface targeted rapid heating for battery material rejuvenation”的综述，总结了基于快速高温技术的锂离子电池回收策略的最新进展，主要内容包括活性材料的高效回收、再生和再利用，重点强调了时空限域的界面化学反应及快速的反应动力学过程；同时，指出了快速高温回收技术的环境经济效益优势，分析了快速高温回收技术规模化可行性、潜在的商业模式及挑战；最后，面对日益增长的应用需求，作者概述了快速高温回收技术的未来重要的发展方向。

【数据概览】

图1 （A）废旧电池材料失效机制的空间分布，（B）快速加热技术的技术特点和优势，（C）高温且低活化能驱动的快速反应动力学，（D）原子扩散距离与时间的关系，（E）基于快速加热技术的废旧电池材料循环利用应用

图2 不同的快速焦耳加热模式及其控制方法

图3 基于快速加热技术的活性材料分离回收

图4 基于快速加热技术的废旧石墨表面SEI重构

图5 基于快速加热技术的石墨及钴酸锂表面结构修复

图6 基于快速加热技术的体相缺陷修复

图7 快速加热技术辅助的湿法回收及再制造

图8 快速加热技术的规模化装置示意图及潜在的工业化路线

图9 基于快速加热技术的电池材料循环利用的环境经济效益分析

【结论与展望】

尽管快速加热技术在电池材料再利用方面取得了一系列成果，但面对复杂且不断变化的电池材料体系，其在材料直接回收方面仍处于起步阶段且有很大的探索空间。重要的研究方向如下：

（1）快速加热技术的调控参数多（例如：加热温度、加热时间、加热周期数以及加热和冷却速率等），使得我们很难仅通过一次尝试就找到最佳的反应参数。因此，我们需要引入人工智能、机器学习方法来加速参数寻优过程。

（2）文献中报告的退化材料通常只来自一种或同一类型的电池。然而，在大规模应用中，退化的活性材料在形态和尺寸上会有很大差异且存在各种失效状态（如：不同的锂含量）。针对混合退化活性材料的一致性再生或升级对其电化学性能至关重要。为了应对这一挑战，废旧电池的筛选可能是一种潜在的有效方法，可以根据使用过的电池的物理属性（如尺寸、重量和形状）、化学成分（如金属含量）或电子属性（如电压和电阻）对电池进行分类，以减少来料差异。这一过程有助于后续精准的快速加热再生，从而实现失效材料高效且一致性修复。此外，虽然通过单次快速高温热处理难以同时修复多种失效状态（例如：裂纹、锂空位和锂镍混排、锂铁反位），但该技术具有精细的时间和温度分辨率和独特的可编程性，可实现动态的温度调控，有望通过合理设计的多步骤快速热处理过程逐步修复多种失效机制并存的废旧活性材料。

（3）废旧活性材料通常来源于5到10年前生产的电池，在容量、速率等方面落后于当前的商业电池。因此，仅恢复结构和组成的再生活性材料难以满足当前和未来的应用需求。有必要根据活性材料的发展方向进行升级制造。迄今为止，以金属化合物为前驱体，基于快速加热技术已经成功合成了包括单晶三元正极、高熵正极和表面改性活性材料在内的多种先进正极材料。然而，如何以废旧材料为前驱体，实现升级制造仍缺乏经验。

（4）考虑到锂电池巨大的体量，除了高价值的正极和负极活性材料外，其他材料（如电解液、隔膜、集流体等）的回收和再利用对锂离子电池行业的可持续性也具有重要意义。此外，钠离子电池、固态锂离子电池和锂金属电池是非常有前景下一代储能电池。考虑到它们与锂离子具有相似的结构和组成，目前在锂离子电池上已取得的经验和策略或可平行转移至上述新型电池的回收应用。

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